文摘

西煤矿发展的当务之急是控制围岩厚松散地层、薄基岩,超高煤层地质条件下。研究围岩变形控制机制在西部地区特殊地质条件下的实用指导意义,中国在西部地区的能源战略的实现,和我特殊采矿地质条件的实验为背景,变形规律,故障特征,和围岩应力分布特征的机械化放顶煤开采厚松散地层。通过建立结构力学模型的“回避岩石梁”,确定了稳定性判据。围岩的水平位移的工作面小,两端的位移很大。工作面开采后,一个“O”形环出现在主要的屋顶。开挖的环向外延伸,在初始权重达到最大,其位移减少从内到外。最后,通过理论分析、实验研究、数值计算和现场观察,薄基岩和超高煤层进行了系统地分析,及其变形和破坏机理。相关研究成果成功地实现现场,有效保证安全、高产、高效矿井。

1。介绍

能源是人类生存的物质基础和全世界共同关心的一个话题。能源问题影响一个国家的政治、经济、安全、和许多其他方面。它是国民经济和人民生活密切相关,国家发展战略1]。随着中国工业化和现代化的不断进步,已经很难满足国家可持续发展的需要在未来使用国内传统的化石能源2- - - - - -5]。能源是国民经济发展的基础,化石能源占能源消费总量的90%以上,在全球范围内(6- - - - - -8]。虽然一个干净,安全的,可靠的可持续能源系统是全球广泛推广,将至少需要几十年,甚至一百年能源消费的主要部分。在很长一段,化石能源仍将发挥主导地位在能源开发利用。在中国的能源结构中,有丰富的煤炭储量,但稀缺的石油和天然气储备。厚煤层的煤储量非常丰富,广泛分布在中国。全国生产矿井厚煤层占总数的40.6%生产矿山、和可采储量占总生产矿山的45%。逐渐向西转移的中国煤炭发展战略布局,肤浅的和额外的厚煤层在内蒙古、陕西、新疆有很大的地区,地域辽阔。新的复杂地质条件对煤矿提出了更高的挑战。越来越多的新的重大科学技术问题,比如如何实现高产高效开采和确保安全生产,其中煤炭崩落采矿技术发展迅速,被广泛应用。研究巷道的围岩变形机理和控制完全机械化放顶煤开采过程挖掘厚松散和额外的厚煤层已经成为当前研究的热点和难点。 Under complex conditions such as thick loose beds, extra thick coal seams, large mining height, and large top coal caving rate, the existing general fully mechanized top coal caving theory has difficulty in ensuring the safe and efficient mining of coal resources. Therefore, it is an urgent task to study the deformation mechanism and control of roadway surrounding rock under the condition of full space and multiple factors. Therefore, it is an urgent task to carry out the research on the deformation mechanism and control of roadway surrounding rock under the condition of full space and multifactors.

机械化放顶煤开采导致严重的上覆岩层和地表变形和长期开采沉陷理论研究和生产实践证明一个跨学科的综合问题有关的知识测量、采矿、力学、数学、地质、开采沉陷和电脑,所以一直在不同的角度进行研究。在1960年代初,英国学者贝瑞和销售(9,10]将岩体视为均质弹性体分为平面各向同性、横向各向同性,和空间问题,提出岩体沉降计算方法具体打开,部分关闭,完全封闭采空区边界条件。康罗伊和Gyarmaty观察到上覆地层垂直和水平运动利用钻孔应变仪和钻孔测斜仪不仅求出水平运动在上覆地层的统治也观察的滑移和分离层上覆地层沿层理(11]。自1980年代以来,沉降变形计算自动化,智能化,可视化和计算机技术的发展和持续改进的开采沉陷理论(12- - - - - -14]。王等人。15]介绍了煤炭开采的地表移动规则下超级厚松散地层及其预测方法。郭et al。16)建立了预测方法极其不完整的开采条件下地表移动。郭et al。17]研究了神经网络方法选择根据岩层移动角。胡锦涛et al。(18)研究方法来确定开采沉陷预计参数使用概率积分法。朱et al。19]讨论了岩层移动角的变化规律与开采厚度、开采深度、煤层间距的计算公式,建立了深部开采条件下岩层移动角。近年来,刘等人。20.]研究了上覆地层的进化规则回避地壳变动在大切削高矿业和突水预防和控制通过数值模拟和现场测量特定于西方煤矿特殊的地质条件与西进中国能源战略的转变。黄等。21]研究了周期性加权屋顶结构和支持负载的大量煤矿浅埋煤层通过现场调查和物理模拟。刘等人。22和龚et al。23)建立了一个模拟仿真试验模型深入研究围岩变形结束和煤柱的稳定性在特殊地质条件下的西部地区。近年来,研究围岩稳定性及其控制综采放顶煤开采过程挖掘已被国内外许多学者关注,和大量的成就。然而,地面上的研究工作压力行为法律和围岩的控制完全机械化放顶煤开采过程巷道,特别是厚松散层和额外的厚煤层厚砂和薄基岩下,是不够的。大量的文章和技术仍然使用传统的支持理论和支持方法在过去(24- - - - - -26]。

浅缝我的实验工作,薄顶板基岩,和大厚度导致严重的工作表面变形、明显的地表沉陷,大而深的裂缝。尖锐地表沉陷和大裂缝因采矿引起的沉重的环境破坏和严重的隐患,这不仅破坏了环境,生成的工人和农民之间的冲突也使井下空气泄漏和水破裂,引起自燃或煤层突水事故。因此,深入分析和研究机械化放顶煤开采上覆地层运动超高缝厚松散地层不仅能延长使用寿命,增加就业机会,改善生活条件和生态环境的人我尽快,但也无可争议的伟大的现实意义,以确保社会稳定和促使经济发展27- - - - - -30.]。

2。工程地质条件

实验我位于中国内蒙古自治区(图1)。实验矿位于大陆北部的小镇Jungar煤田,北距呼和浩特大约95公里的城市,从西鄂尔多斯城市150公里;占地面积33公里²;煤炭储量11.45亿吨。表面被巨大的厚黄土覆盖,风积沙和功能复杂的地形,越过山谷沟壑,发达的树枝状沟。研究领域是一个中间抑郁症在东方西方的高和低被20.0 - -34.1米厚黄土覆盖层和稀缺的植被、严重的水土流失,发展沟。Ejiagou传递的中间部分,没有流水的小溪,在雨季和最大流量是20米³/小时。主要煤层是石炭系上二叠系太原组6 #煤层发达裂纹,煤层厚度平均16 m,煤层距0°8°和4°平均和平均开采深度295米,采用综合机械化煤炭崩落采矿技术。分测验煤矿为研究对象,研究围岩变形控制机制在特殊地质条件在中国西部有实际的指导意义,在中国西部能源战略的实施。

根据扫描电镜微观结构的分析31日,32)(图2)的煤样的实验,粗矿的煤(岩)样品镶嵌,形成一个有约束力的结构,有大裂缝和漏洞。小洞和裂缝的数量不断增加,放大倍的增加。

3所示。屋顶的结构力学模块“短砌体梁”

3.1。岩石负荷分析

基于观察内部流动的大量开采岩石和总结假设与铰链结构和预制裂纹岩石的块,钱和施提出了“砌体梁”结构模型的岩体结构在1970年代和1980年代早期(33]。根据“砌体梁”理论,极端的跨度下的岩层破裂,破裂rock-formed水平力由于旋转和岩石之间的相互挤压产生摩擦力,实现均衡的三铰拱裂缝梁在合适的水平挤压的力量。“砌体梁”的上覆地层模型结构建立了力学分析上覆地层结构的稳定性,揭示了上覆地层结构的稳定性原理(图3)。

根据引用(34), 在哪里水平推力; 是剪切力接触铰链A和B,分别;和 块的旋转角度是B和C,分别。

3.2。滑动失稳分析

条件,防止滑动屋顶结构的不稳定 在哪里岩石之间的摩擦系数,由实验确定为0.5。

方程(1)和(2)替换成(3):

一般来说,滑动不稳定时不会发生值是在0.9。我的块度测量实验 和屋顶结构滑动不稳定(35]。

3.3。“回避岩石梁”结构模型和稳定性分析

“回避岩石梁”结构形成滑动失稳后的“砌体梁”结构的屋顶。根据屋顶滑动的结构特点,结构力学模型,建立了“回避岩石梁”。数值模拟的目的是验证地面沉降之间的关系。

根据现场测量和模拟仿真测试中,块度(1.0 - -1.4)浅埋煤层顶板破碎岩石的高和屋顶结构是一个“砌体梁”结构(36- - - - - -38),这是很难保持稳定和不稳定滑动。当屋顶块度小于1或力量薄弱或旋转角大于10°,轻易滑动可能出现不稳定,如图4。

根据现场测量和模型试验的实验,屋顶岩石下降(滑动失稳)支撑梁在workface挖掘。形状形成滑动失稳后,如图5,生动地称为“回避岩石梁”结构。岩石C完全屈服的岩石和岩石B是由岩石C点C workface先进和旋转。然后,岩石C基本上是压实 。T和π是N的单位。

岩石的挠度C 在哪里直接顶厚度,m;是高度采矿、m;和是可以采取的岩石膨胀系数为1.3。

如图5, 当岩石B达到最大旋转角度(39), 。

根据广义条件完全机械化面临的浅埋煤层屈服,屋顶的岩石通常是8°-12°(40]。代入方程(6), 在方程(4为防止滑动)和条件不稳定的“回避岩石梁”

结果表明,滑动失稳不发生只有当是小于0.9。我实验的测量块度 和“回避岩石梁”的可能性高滑落失稳。

4所示。三维离散单元模拟

4.1。三维离散单元

3 dec(3维离散单元代码)是一个大型离散单元开发的软件美国伊和个体单元法的离散单元法,可准确地模拟煤岩体破坏自然的真三轴应力状态。3 dec软件二维平面模型扩展到三维空间基于离散单元法的基本理论来描述分散介质的力学行为。FLAC3D软件,它涵盖所有应用领域的FLAC模拟程序和明显的优势在模拟围岩地下深处的失败作品,大高边坡稳定变形机制,挖掘屈服。

4.2。建模和参数选择

特定于薄基岩厚煤层的实验,一个3 d矿山岩石变形计算模型是建立分析工作面影响的深度和厚度对围岩的稳定工作。

根据工程地质条件,3 d挖掘岩石变形计算模型(长×宽×高= 300×200×50米)建成机械化放顶煤的面孔,其工作面布置和采矿方法与现场条件是一致的。大小的工作面 ;两个十字头部分的大小 。模型的边界条件如下:侧边界的水平位移和垂直位移的底部边界应该是有限的。根据等效荷载的计算公式, ,假设 岩层的平均单位重量,基岩层厚度的增加,水平应力应用于模型根据侧压力系数。3 d模型和关节啮合图所示6。

物理力学试验是进行煤(岩)块,如表所示1测试结果显示,围岩变形和破坏的弹塑性压缩加载期间,这是符合的弹塑性应力-应变关系模型。因此,进行仿真分析相关的块结构使用莫尔-库仑屈服准则模型,及相关关节表面使用库仑滑移本构模型进行了分析。

4.3。数值模拟方案的计算

几个建模方案设计使用单因素分析方法分析的规则影响工作面深度和厚度对围岩的稳定工作。表中所示的数值计算方案2和3。

5。数值结果分析

5.1。工作面深度影响分析

5.1.1。研究围岩变形规律

从表可以看出2研究的深度是200米,400米、600米、800米和1000米。围岩的位移曲线完全机械化了大采高放顶煤开采过程的脸在不同深度也有类似的特点,如图7,这是围岩的垂直位移图800米深度。B区位于左边一半的工作面。围岩的水平位移的工作面很小,和两端的水平位移大。工作面开采后,围岩两端形成一个砌体梁结构的水平位移的左上角和右下角区域B是最大的。垂直位移特征如下:在中间的工作面围岩大垂直位移,两端小的垂直位移,和垂直位移的形状是一个“倒圆截锥”从中间向两端。

5.1.2中。研究围岩应力分布特征

工作面的深度决定了围岩垂直应力,这是影响围岩稳定性的主要因素。通过讨论信封应力的影响,分析其应力特征,结合位移的图像,围岩不稳定的机制可以更好地揭示。

大的围岩压力图切割高度机械化放顶煤的面孔不同深度有相似的特征(图8)。水平应力围岩的特点如下:围岩的工作面煤柱和水平应力很大,两端小的水平应力。围岩垂直应力特征如下:中间的工作面和煤柱垂直应力大,两端小的压力。两端围岩的拉应力大于抗拉强度、围岩和两端在拉伸断裂状态。

5.2。工作面开采高度影响分析

5.2.1。主破裂规律主要屋顶

煤层地质条件下的实验我根据钻孔柱状图,主要的屋顶是一个关键层上覆岩层的结构和破坏表面是由破裂的关键层(41- - - - - -43]。在采矿过程中,主要的屋顶被毁主要是因为分步开挖引起的应力再分配和损伤的积累。事实上,它是一个连续的过程挖掘,卸载和破坏性。

图9显示了一个大“O”形环的位移变化主要屋顶位移图开挖后,“O”形环向外逐渐增长,其位移减少从内到外。“O”形环是最大的,第一权重是由破裂的主要屋顶。第一次加权距65矿业高8米的时候,55 m开采高度12米的时候,和50 m开采高度16米的时候,20米,和24米,表明第一次加权距减少开采高度增加射程,趋于稳定当开采高度超过一定值。开采高度20 m和24 m时,岩石在破裂的“O”形环的主要屋顶”了。“工作面基本上是在开挖后拉应力状态,有应力集中区域工作面之前大约10米。

第一权重是由“O-X”断裂主屋顶时,工作面先进在一定距离44- - - - - -46]。“O”形环是除以拉伸断裂线和压破裂线分为四个板块,即主盘子A和B和从盘子C和d第一权重后,可见圆弧过渡区域主要出现在屋顶上方的综采放顶煤脑袋和尾巴的脸,形成一个弧形三角块。

5.2.2。周期性破裂主要屋顶

第一权重后,半“O”形环出现在主要的屋顶与开挖位移图,半“O”形环向外逐渐增长,及其位移减少从内到外47- - - - - -49]。主要屋顶破裂时,“O”形环是最大的一半,和周期性的加权引起。的周期性破裂规律的主要屋顶开挖过程可以简要描述根据垂直位移图和垂直压力图的主要断裂在不同开采顶板的高度,如图10。

如图10,周期性的权重是由“O-X”断裂主屋顶时,工作面先进在一定距离。周期性加权后,可见圆弧过渡区域主要出现在屋顶上面综采放顶煤的脑袋和尾巴的脸,形成一个弧形三角块。

5.3。的围岩应力分布特征受开采结束

煤柱巷道往往旁边,所以煤柱的稳定性与巷道的稳定性密切相关(50]。煤柱的应力对巷道变形有很大的影响,巷道的应力下降明显与巷道变形后卸货。分析煤柱的应力和固体煤右边的道路可以有效地研究巷道的稳定性。

如数据所示11- - - - - -13,有两座山峰在巷道煤柱宽度10米的时候,左峰值在煤柱和峰固体煤巷道的右边。有三个压力峰值在巷道煤柱宽度时15或20米,在煤柱左两座山峰,这表明煤柱稳定的压力,正确的峰值在固体煤巷道的右边。(1)煤柱宽度保持不变时,应力峰值的固体煤巷道倾向于减少与增加长度,煤柱应力峰值时倾向于增加(2)当煤柱宽度保持不变和最终的长度是小,巷道的垂直应力峰值大于煤柱。当最终长度大,垂直巷道的应力峰值小于煤柱。当最终长度很小,固体煤巷道主要遭受的负载。当最终长度增加,煤柱的应力转移到方向和负载逐渐转移到煤柱(3)随着最终长度增加,应力峰值煤柱远离道路和倾向于增加。然而,应力峰值的位置右边的固体煤发生了微妙的变化

6。现场测量机械化放顶煤开采上覆岩层变形

6.1。地下综采放顶煤规则面临的压力

但是。KJ216-A-Type工作阻力监测系统

140液压支持采用机械化放顶煤的实验,其中包括128工作面支持(ZF15000/27/43类型),4过渡支持(ZFG15000/27/43A类型),1头与尾支持(ZFP13800/26/40类型),和1组支持(ZFT27600/23/40类型)。

在机械化放顶煤液压支架的工作阻力的实验我收集使用KJ216-A——(图14)类型工作阻力监测系统。一套监测线每7 140液压支持,即7 #支柱1 #监控线,14 #支持2 #监控线,等等(图15),共有19个监控线路设置。监控变电站是安装在每一行,和压力数据前后的支柱支持收集每5分钟自动当工作面先进和实时传输到地面调度室进行分析。

6.1.2。周期性加权的工作面

根据实地观察从1月到8月的支持和工作阻力的分析矿山压力监测变电站上部的工作面,液压支架工作阻力的相关数据上,中间,和较低的部分的工作面从1月到8月表所示4- - - - - -6。

6.2。综采放顶煤面运动失败特征脸

由于大型煤炭综采放顶煤厚度厚松散地层的面孔我实验,工作面开采对地表移动变形影响显著和上覆岩层运动和破坏蔓延至地球表面(图16)。在第一次加权,工作面主要骨折表面垂直,伴随着一些微小骨折。在周期性加权,主要有小而浅的周期性骨折表面垂直的工作面,成为更深和更广泛的工作面先进。一段时间后,“屋顶一步”出现在工作面和进一步演变成“funnel-type”解决。

7所示。结论

通过理论分析、实验研究、数值计算和现场观察,薄基岩的超高煤层是系统地分析,及其变形和破坏机理。相关研究结果成功地实施现场,有效地确保安全、高产、高效矿井。具体结论如下:(1)“回避岩石梁”结构形成滑动失稳后的屋顶“砌体梁”结构。“回避岩石梁”结构力学模型建立了特定的滑动后屋顶的结构特征,及其稳定性判据是通过力学计算和分析(2)围岩的工作面水平位移小,两端有较大的水平位移。工作面开采后围岩两端形成一个砌体梁结构,水平位移在左上角和右下角块B达到峰值,和围岩的水平位移峰值两端往往随着埋深增加而增加。围岩在中间的工作面大垂直位移,两端小的垂直位移,和垂直位移的形状是一个“倒圆截锥”从中间的工作面两端(3)工作面开采后,一个“O”形环出现在主要的屋顶向外增长与挖掘,达到最大的第一权重,其位移减少从内到外。一定范围内,第一次加权距减少开采高度增加,趋于稳定当开采高度超过一定值。大采高、岩石在破裂线最大的“O”形环的主要屋顶“转交”第一权重。第一权重后,半“O”形环出现在主屋顶位移图,向外逐渐增长的开挖和位移减少从内到外。半“O”形环时的最大主屋顶破裂,因此,周期性加权引起(4)在周期性加权,主要有小而浅的周期性骨折表面垂直的工作面,成为更深和更广泛的工作面先进。一段时间后,“屋顶一步”出现在工作面和进一步演变成“funnel-type”解决方案(5)不足可以通过离散元数值计算方法分析了不同组合条件下的煤柱宽度等noncaving部分的长度,和煤层厚度,表土沉降系数的变化规律与煤层厚度(6)当煤柱的宽度是常数,固体煤巷道的峰值应力随最终长度的增加而减小。煤柱的峰值应力倾向于增加。当煤柱的宽度是常数和最终的长度是小,巷道垂直应力的峰值大于的煤柱垂直应力。当最终长度大,巷道的垂直应力的峰值小于煤柱。当最终长度小,巷道固体煤主要是加载。与最终长度的增加,压力走向煤柱和负载逐渐走向煤柱。与最终长度的增加,峰值应力在煤柱远离道路,往往会增加。然而,压力峰值的位置合适的固体煤几乎没有变化

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由江苏青年基金项目(不支持。BK20200634),高校优秀青年人才支持计划(没有。gxyq2021221),自然科学基金安徽省教育办公室(没有。KJ2020A0732)。