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Geofluids/2021年/文章
特殊的问题

机制和控制深部工程地质灾害在高温下,地面压力和水压力

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2021年 |文章的ID 8871524 | https://doi.org/10.1155/2021/8871524

刘骏,身子并陈,陈,Xiangjun李宁, 进化的特征区域的岩石放松与横截面积”,Geofluids, 卷。2021年, 文章的ID8871524, 13 页面, 2021年 https://doi.org/10.1155/2021/8871524

进化的特征区域的岩石放松与横截面积

学术编辑器:Hualei张
收到了 2020年4月20日
接受 2021年8月13日
发表 2021年8月29日

文摘

由于围岩的大变形和道路的不同的变形特征与不同的横截面区域,很难确定的方式支持道路和提取钻孔的封孔深度,这将导致严重的巷道变形,减少瓦斯抽放率。为了解决这些问题,本文研究的进化规律的巷道周围岩石松动区四个不同的横截面区域(15米220米225米2,30米2)通过声场测试和数值模拟。结果显示三个要点:第一,巷道周围岩石松动区巷道中心对称分布,及其形状大约是“蝴蝶。“第二,现场试验结果表明,1302年的岩石松动区北楼采矿巷道的范围2.3 - -2.4米的巷道和2.7 - -2.9 m中央辅助运输巷道。仿真结果表明,1302年的岩石松动区北楼采矿巷道是2.5米的巷道,3.0中央辅助运输巷道。四个不同的部分地区下的仿真结果与现场测试结果,和围岩松动范围的区截面积增加而增加。第三,松散区巷道的顶部角落,一边有一个线性与横截面积的关系,以及巷道的松动区底部角落的横截面积变化不明显。这些结果有意义确定矿井巷道的横截面积相同的地质条件下,钻孔的密封深度和围岩的支持。

1。介绍

巷道开挖过程中,周围煤岩体的原始应力平衡状态遭到破坏,和围岩的变化从原始状态的三维应力平衡二维应力状态,导致增加了切向应力和径向应力的降低(1]。围岩的压力将会在短时间内重新分配,并将集中在巷道的压力。如果集中应力值不超过岩石的强度、围岩将的弹性能。相比之下,如果集中应力超过岩石的强度下降后,围岩将打破,这将逐步扩展从外围到深层,直到达到一个新的三维应力平衡状态(2]。在这个过程中,一系列的损伤和围岩松动发起在这叫做roadway-surrounding岩石松动区。

因为细则的要求对防治煤炭和天然气爆发,regional-outburst在突出矿井必须采取预防措施。Predrainage煤层天然气是最常用的地区在中国爆发的预防方法。的密封长度瓦斯抽放钻孔瓦斯抽放效果的确定是一个重要的参数。合理的密封的深度和距离的确定瓦斯抽放钻孔的大小密切相关区域的岩石松动。同时,巷道支架的类型和锚索的长度/螺栓的大小直接关系到区域的岩石松动。因此,重要的是要确定岩石的区域放松的分布规律对提高瓦斯抽放效率,保持围岩的稳定,防止意外煤炭和天然气爆发和围岩的变形,并确保煤矿的安全生产(3]。

相当多的研究进行了围岩的松动区分布的。谢等人模拟骨折采矿岩体的分布,利用相似材料模型试验,从而派生断裂网络的演化规律和见解深巷道的设计提供支持(4- - - - - -6]。温家宝等人研究了软弱夹层对进步的失效模式的影响周围的岩石隧道采用相似材料模拟实验,发现软弱夹层增加故障区域的范围,这使得应力分布不均匀,影响周围的岩石隧道的稳定性(7,8]。此外,位置、倾角、厚度软弱夹层,夹层之间的距离和隧道影响隧道稳定性的重要因素。通过应用弹性力学,陈等人得到位移和应力场的分布在隧道开挖和派生的半径的计算公式区岩石松动。此外,他们分析了影响地球的压力,支持压力和围岩的坚定系数的分布区域的岩石松动(9- - - - - -12]。李修正平衡拱理论,提出了一种分析方法来预测围岩的松动压力深埋双隧道,将结果与现场监测数据,取得了良好的一致性13]。他等人研究了岩石隧道稳定在一个网站通过使用地质雷达方法,钻孔图像方法,红外成像技术。他们获得开挖引起的应力波的传播方向和范围的区域的岩石松动,所以该网站支持计划的数据来支持设计一个可靠的地面结构(14- - - - - -18]。沈进行了详细的数值模拟巷道的稳定性和变形通过模拟不同顶板支护方案下,深矿井的实验背景,提出了一种新的巷道支架方案,显著提高围岩的巷道的稳定19- - - - - -21]。玉等人研究了软岩和砂岩的渗透率和变形行为通过实验方法和数值计算22,23]。基于mc标准,王等。24]推导的解析解压力和围岩的破裂区和塑性区圆形巷道。赵et al。25]研究了偏应力的分布场和应变能密度的围岩在三轴应力下,和结果表明, 占主导地位的应力场,有必要注意的“X”形扩张围岩塑性区。这些以前的研究主要集中在一种巷道和坚定的岩石松动区范围理论分析,利用类似的实验,数值模拟,实地测量。相比之下,研究区岩石放松下的演化规律不同的横截面区域不常见。

声场测试进行中央辅助运输巷道和北底部从玉溪煤矿回采巷道的演化规律研究巷道周围岩石松动区在不同横截面区域。此外,岩石巷道的不同部分地区被用来进行数值模拟,以及不同位置之间的关系和横向区域巷道进行了分析。我们的研究结果有意义的确定巷道的横截面积,提取钻孔的密封和围岩的支持。

2。理论分析围岩区域的岩石松动

周围的岩石巷道在三种状态之一:岩石松动区、塑性区、弹性区和一个(图1;在图中,b表示区域的岩石松动,p代表塑性区和e代表弹性区)。巷道截面积 ,巷道支架的压力 ,和原始的巷道围岩应力无穷大 周边区域的岩石松动的半径和巷道塑性区( )和( ),分别。为了便于计算,以下假设是:(1)周围的围岩巷道是均匀和各向同性;(2)巷道在静水应力场,侧压力系数是1;(3)巷道是无限长的,可视为平面应变问题来解决。

巷道周围岩石的变形弹性区符合胡克定律,岩体的应力符合下列公式(26]。 在哪里 是原巷道的围岩压力, 塑性区半径的, 结的径向应力的弹性区和塑性区。根据莫尔库仑屈服准则,它符合下列公式: 在哪里 强度线的斜率,可以根据计算 ; 岩体的内摩擦角;和 单轴抗压强度。

结合物理和几何方程(27),给出了弹性区域的径向位移 在哪里 弹性模量。

为了便于计算, 被定义为 弹性和塑性区交界处,几何方程可以得到如下:

在隧道周围的岩石,在塑性区是由总应变

巷道周围岩石的体积变形岩体的弹性面积小,因此可以忽略。在塑料软化和故障区域,有扩张的特征。考虑到流动法则的体积膨胀岩体(28),在塑料领域 在哪里 径向和切向应变的增量塑性区,分别; 膨胀系数相关岩体的塑性区, ≥1,满足

根据几何方程,我们得到

结合径向位移 弹性和塑性区交界处,在塑性区流动法则,莫尔库仑屈服准则,我们得到的

根据静力平衡方程和边界条件 ,塑性区应力表达式可以得到如下:

在巷道周围岩石的总应变区岩石松动满足以下公式:

考虑岩体的流动法则的体积膨胀,欧元区的岩石松动如下: 在哪里 径向和切向应变增量的区岩石松动,分别; 系数相关的扩张区岩体的岩石松动, ≥1,一般为1.3 - -1.5。

根据几何方程,我们得到

结合径向位移 弹性和塑性区交界处的流动法则岩石松动区(29日],莫尔库仑屈服准则[30.),和边界条件,区域的岩石的应力表达式放松方法如下:

表达式的岩石带放松压力, 等于隧道半径,径向应力区岩石松动压力等于支持, 岩石松动区半径的解析解得到如下:

通过以上分析,可以得出结论,巷道的横截面积密切相关的范围周围的岩石巷道的松动区。然而,在实践中,道路的横断面形状不固定圈,但主要是一个拱形的横截面。矩形和梯形截面也广泛使用。因此,分析和研究了不同截面区域的一个拱形的横截面。

3所示。现场测量的岩石周围区域的岩石松动

3.1。我的概述

山西兰花科创玉溪煤矿有限公司有限公司(以下简称“玉溪煤矿”)位于山西省南部,东南部Fanzhuang普查区域。井场的形状了,5.1公里宽从北到南,从东到西长6.78公里和29.79公里2在区域。它的地理位置如图2

玉溪煤矿的煤与瓦斯突出矿井高爆发风险,设计生产能力为2.40吨/ a,和50.7年的寿命。3煤层主要是在矿山开采,位于山西的下部形成厚度介于5.12和7.20米,平均厚度为5.85米。煤层的顶板泥岩、砂质泥岩、粉砂岩;本地部分是细砂岩,泥岩层。煤层的结构很简单,它是一个稳定和可开采的煤层在整个区域。地质勘探和观察的暴露区建立了煤层埋深3是505 - 862 m,煤层的渗透系数为0.1032 ~ 26.58 m2/ MPa2d,最大原始瓦斯含量是25.59米3/ t,最大初始气体压力为2.90 MPa。

3.2。现场试验方法

目前,常用的测试方法在中国周围区域的岩石松动的岩石是(15,31日,32)(1)声波分析、(2)多点位移计分析,(3)地震波和地质雷达分析,和(4)钻孔摄像分析。目前,声学方法通常被认为是一种适当的方法来测量周围的岩石区域的岩石松动,和大量的工程实践证明了这种方法的可行性。

根据弹性理论,从弹性波的波动方程的静态弹性空间方程问题,超声纵波和横波速度之间的关系,可以获得介质的弹性参数(33]。

在哪里 是煤炭的纵波速度(米/秒), 是煤炭的横波速度(米/秒), 是煤的弹性模量(MPa), 煤的泊松比, 煤的密度(公斤/米3)。

从上面的公式,超声波的传播速度在煤体内有关弹性模量、泊松比、密度和煤炭的身体,而弹性模量、泊松比和密度煤体内的抗压强度和紧性直接相关。因此,煤的波速的身体可以间接反映煤体内开裂的情况,和声学波速度和时间的变化规律在不同深度的巷道的大小可以确定巷道周围岩石松动区(34]。与此同时,地面压力达到岩石的强度层,巷道的位置;因此,松散区开始逐渐发展的道路。当声波传播在岩石或煤层,其速度将减少由于裂缝的发展,密度的减少,以及声阻抗的增加。相反,如果岩体的完整性好,力(压力)是大型和密度大,传播速度也大。因此,对于同一个类的岩体,高测量声波速度是表明一个好的岩体的完整性和相反,低波速表明有裂缝岩石和岩体破坏。岩体波速的不同深度的表面围岩由声学测量测试仪器。然后构造深度和波速曲线和周围的岩石厚度区岩石巷道的放松是推断,使用相关地质资料(35]。应用超声检测区域的岩石松动可分为单孔测试方法和double-hole测试方法。因为沉重的工作量的钻探和高度的围岩破坏,很难发出和接收探头double-hole测试同步移动。然而,单孔测试方法比较容易执行,可以产生大量的测试值相对容易,围岩的深度的函数。因此,选择了单孔测试方法在当前的现场测试。原理图的单孔测试和CT-2围岩断裂探测器在图所示3

的测量步骤区岩石松动的声学方法如下:(1)钻井在现场测试站点上进行垂直于道路的一侧,钻井深度5米。后续钻井,清除残骸和的洞孔是用清水清洗,直到排放水岩渣(2)电池是安装在仪器、仪表的显示和电路检查,推挽式测量杆和收发器连接。接收和发射探测器安装在底部的钻孔测量杆。额外的配件在孔插入到合适的位置,用止水塞块钻孔,紧随其后的是注射的偶联剂(水)测量杆的结束。有一个连续流出水(3)仪器是测量波速的围岩在不同深度使用铜金属量杆;四组的数据记录在每个深度。增量数据深度0.1米的记录直到测试完成(4)四组数据的平均值测量在每个深度计算。以波速为纵坐标和巷道的距离为横坐标,波速之间的关系和距离从巷道是策划

3.3。现场测量位置

中央辅助运输巷道和北底部玉溪煤矿回采巷道1302被选为测试网站分析的道路区域的岩石松动(数字4- - - - - -6)。

中央辅助运输巷道位于煤层岩层在地板上3。直墙半圆拱巷道截面,宽5.4米,高4.3米,巷道开挖横断面是20.1米2。围岩主要是浅灰色的黑色泥岩。核心是长或短柱,容易鳞状和零碎开裂,壳断裂,含植物化石,黄铁矿,和燧石结核;最大的结节是5厘米。

北底回采巷道1302及其运输巷道位于岩石楼3 #煤层的层。直墙半圆拱巷道部分部分的宽度4米,高度3.5米,横截面积为12.6 m2。瓦斯抽放利用锚网电缆支持,设计长度为2157米。围岩主要是黑色泥岩。核心是长或短柱,有鳞的或残缺,和壳断裂包含植物化石和黄铁矿结核,最大的5厘米的结节。

3.4。测试结果

由于第一组的钻井中遇到一些问题,第一组数据波动很大,没有显示明显的规律性。因此,这组数据没有记录。数据78显示波速之间的关系和距离的巷道在回采巷道底部1302和中央辅助运输巷道,分别。

分析数据78表明,(1)波速度的距离的函数不同的道路。采取中央辅助运输巷2 - 2钻井作为一个例子,波速变化略在0.2 - -2.7米。当一侧的道路的距离达到2.7米,波速显著增加。此时,距离进一步增加,波速波动幅度较小,但速度明显大于速度接近的道路(2)1302年北底回采巷道钻孔2 - 1和3 - 1是位于北部的隧道。在0.5到2.4米,平均波速度是1740米/秒和1374 m / s,分别。经过短暂的距离增加,波速显著增加,达到最高的价值测量范围,平均速度为2300米/秒和1737 m / s,分别表明这个距离范围的岩体表现出高度的压实。在以下范围内,平均波速度下降,稳定在1910 m / s和1663 m / s,表明在这个范围内围岩的弹塑性区域。南部的水井2 - 2和3 - 2隧道是类似于钻孔北部的隧道。在0.5 - -2.3米,平均速度是1740米/秒的价值,显著增加的距离超过2.3米,平均速度是1660米/秒。总之,岩石的区域的范围放宽在北方底回采巷道1302年2.3 - -2.4米的巷道。同样,岩石的区域的范围放宽中央辅助运输巷道是2.7 - -2.9米的巷道(3)比较两组实地测试,可以推断,围岩松动范围的区截面积增加而增加

4所示。数值模拟进化的岩石松动区与不同的部分区域

区域的实地测试过程中岩石松动,由于当地实验条件的限制,只有12.6米2和20.12带的岩石从一侧的道路得到了放松。根据范围的变化规律区巷道周围岩石松动的岩石与横截面积的变化,仿真软件需要验证规则从野外数据获得。因此,在本文中,现场试验结果补充和验证了数值模拟。

4.1。数学模型的推导

由于地质条件的影响,巷道周围岩体异构和不连续,展览是一个复杂的应力场,与床上用品和关节。然而,选择大面积可近似视为各向同性,均匀,身体。为了简化问题,以下假设是:(1)巷道周围的岩石是理想弹塑性体,这符合莫尔库仑屈服准则(2)每个岩层分层分布,岩体是一个均匀的各向同性体(3)因为岩石地层的倾角很小,它被当作一个水平岩层(4)地下水渗流的影响没有考虑

与固体弹性变形的平衡方程 在哪里 微分算子, 是压力, 是体积力。

4.2。初始和边界条件

岩石破裂准则作为莫尔库仑准则,和相应的原位应力(岩石的平均密度为2500公斤/米3),即。,16。5 MPa, was loaded on the upper part of the model. A rolling boundary condition was adopted for the left and right sides of the model, and the fixed boundary condition was adopted for the lower part. The initial and boundary conditions of the model are shown in equation (16)

4.3。推导和物理模型的网格

我们选择中央的玉溪煤矿辅助运输巷道岩石巷道的工程背景,创造了一个二维物理模型(图9)。模型飞机 ,岩石的岩性层1和5是细砂岩,岩石的岩性地层2和6是粉砂岩,岩石的岩性层3是砂质泥岩,和岩石的岩性地层4和7是泥岩。网状模型,如图9

中间道路的横截面积是15米220米225米2,30米2,分别。每一层的岩性参数如表所示1


岩石 扬斯模量/绩点 泊松比/绩点 密度/ kgm3 凝聚力/ MPa 内摩擦角(°)

砂质泥岩 6.2 0.17 2676年 7.80 36
细砂岩 7.2 0.17 2787年 3.5 37
泥岩 5。6 0.18 2700年 2.60 38
煤炭 1.06 0.30 2460年 2.35 22
粉砂岩 5.65 0.22 2672年 2.35 32

4.4。建立物理模型

通过仿真,我们可以推出一个分布图巷道周围岩石的岩石松动,带15米导线截面积220米225米2,30米2巷道开挖后(图10)。与此同时,图11显示在不同横截面应力的分布地区。

10 ()数值模拟的结果显示截面15 m2,路边的放松区域的长度是2.5米。图10 (b)数值模拟的结果显示截面20米2,路边的放松区域的长度是3米。现场试验结果表明,1302年的岩石松动区北楼采矿巷道(15米2)是在2.3 - -2.4米的巷道和2.7 - -2.9 m中央辅助运输巷道(20 m2)。仿真结果在不同部分区域匹配的现场测试结果,验证数值模拟的可靠性。

分析数据1011显示(1)的开挖巷道,巷道周围岩石松动区巷道中心对称分布,和大约是“蝴蝶的形状。“没有明显的区岩石松动的地板和屋顶的道路(2)横截面积的增加,巷道周围岩石松动区范围逐渐扩大。在不同横截面区域,区域的范围的岩石放松大于顶部和底部角落的道路。的范围的岩石松动区不同位置具有不同横截面区域表所示2(3)最大应力为8.61 MPa, 8.87 MPa, 9.21 MPa,和9.34 MPa,分别在15米的横截面积220米225米2,30米2。比较表明,在相同条件下,随着横截面积的增加,最大压力逐渐增加


横截面积/ m2 顶角巷道/ m 路边/ m 巷道底部角/ m

15 5。6 2.5 6.7
20. 6.3 3.0 6.8
25 7.4 3.5 7.5
30. 7.8 4.0 7.5

12显示区域的岩石松动的变化曲线在不同的职位是横截面积的函数。

5。讨论

分析表2,数据10- - - - - -12导致下面的结论:(1)岩石松动区范围是最大的顶角的巷道,巷道底部角,并大致对称。因此,可以看出,随着横截面积的增加,松散岩区往往发展的“蝴蝶翅膀”(最大的顶角的巷道,巷道底部角)(2)之间的线性关系的范围区域的岩石松动和路边的横截面积 ,相关系数是0.99。前角的巷道,之间的线性关系的范围区域的岩石松动和横截面积 ,相关系数是0.95。因此,与横截面积的增加,岩石的区域放松的前角和巷道的增加(3)关于道路的底部角落,岩石的区域的范围放松与横截面积的增加没有明显变化。这是由于岩石的岩性层1是一个细粒度的砂岩,及其岩石强度超过其他岩层。因此,骨折不能继续扩展到大的深度;他们只沿地层继续发展,直到处于平衡状态

6。结论

我们进行了声场测试研究的进化规律巷道周围岩石松动区在不同横截面区域。此外,岩石巷道的不同部分地区被用来进行数值模拟。四个不同的部分地区下的仿真结果与现场测试结果,以及不同位置之间的关系和代表性的地区周围的道路进行了分析。我们的结论如下:(1)为了测量岩石巷道松动圈的范围,声学方法用于测试围岩探伤仪CT-2。根据波速的变化规律,可以确定松动区范围。其中,1302年的岩石松动区北楼采矿巷道的范围2.3 - -2.4米的巷道,在中央辅助运输巷道,岩石松动区范围2.7 - -2.9米的巷道(2)松散的岩石巷道周边地区是对称分布在道路的中心,和它的形状类似于“蝴蝶”形状,和松散的岩石区域倾向于发展“蝴蝶的翅膀。”周围的岩石松动区范围的巷道截面积增加而增加。对于道路的一侧,线性关系的范围区域的岩石松动和横截面积 ( 系数),相关系数为0.99。巷道顶面角,之间的线性关系的范围区域的岩石松动和横截面积 ( 系数),相关系数是0.95吗(3)通过研究不同截面尺寸的影响围岩松动范围的区域,确定有效的密封的基础提供了钻孔的距离。通过数值模拟,结果表明:与横截面积的增加,岩石松动区范围与横截面积的增加线性增加。因此,为了保证密封效果的有效性,有必要改变密封距离根据巷道断面面积的大小,从而达到宽松的区域外的距离

数据可用性

数据支持本研究的发现是由作者进行测试。它是提供的补充材料。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢匿名评论者对他们有价值的建议。作者也表达他们的升值提供的资金由中国国家自然科学基金(No.51874122 No.51704100),河南省重点研发和推广项目(202102310223,202102310223),河南理工大学的创新研究团队项目(T2019-4),河南大学的基础研究基金(NSFRF180426),项目创新研究团队的河南理工大学,河南高等教育机构和重点研究项目(19 b440004)。

补充材料

额外的支持信息在这一节中提供的测试数据。所有的数据是作者提交的测试。辅料我:1302北底回采巷道钻孔数据(图7)。补充材料II:钻井数据中央辅助运输巷(图8)。(补充材料)

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