文摘

近年来一个新的gob-side条目保留技术的广泛使用,即自动切割和卸压巷道形成基于屋顶。然而,由于复杂的地质条件、围岩稳定控制方法仍然是未知的。本文通过理论分析、现场测量、数值模拟,巷道围岩的稳定控制在roof-cutting和减压条件下进行了研究。稳态控制的关键阶段这种类型的岩石是由建立力学模型的硬顶的过程中自动巷道形成。结果表明,roof-cutting和减压技术优于传统的采矿技术表面裂纹发展和沉降。巷道顶板运动可分为三个阶段:直接冒顶活动期间,基本roof-breaking活动时期,roof-stabilizing时期。原巷道上方的压力逐渐转移到相邻工作面,并形成应力集中6米远离工作面巷道保留部分。在这个场景中,巷道在减压区,确保其安全。根据研究结果,我们建议增加一个常数附近的阻力和大变形锚索积极支持的切缝边。单体液压支柱+ i形梁+钢网可以支持工作的脸,和一个可以帮助加强破碎和灌浆锚杆支护在gangue-retaining松散围岩巷道。 Thus, the movement of the surrounding rock can be effectively controlled. An industrial test shows that the effect of retaining roadway is evidently improved.

1。介绍

经过近60年的探索和实践,gob-side条目保留(蒙古包)技术在应用中取得了满意的效果,现在是一个相对完整的coal-pillar-free挖掘技术(1- - - - - -5,促进了coal-pillar-free矿业的发展。然而,更要注意充填体的应力集中和穷人填充料和屋顶之间的匹配。

在蒙古包的研究支持,各种安全因素,支持的原则,并支持方法提出了根据地质条件通过理论推导、物理模拟、数值模拟和现场监测6,7]。通过计算机模拟分析巷道的锚杆支护设计、巷道支架安全系数的灵敏度分析方法提出了(8,9]。螺栓强度、锚杆喷射混凝土厚度和岩性显著影响蒙古包的效果(10]。宪法使用线性弹性模型进行了分析,非线性弹塑性和弹塑性理论。后岩体的变形和破坏行为有着重要影响巷道围岩的位移和应力分布。一个螺栓支持实验的分析结果(11),相应的支持提出了对策12,13]。在蒙古包方法中,roadway-side支持控制巷道的基本的屋顶,和屋顶的控制倾向作为理论依据设计的工作阻力和收缩路边支持(14,15]。屋顶活动法律在不同时期有不同的影响保持巷道,和roadway-side强化机制支持可以通过机械推导过程来解释。因此,roadway-side支持原则提出了(16- - - - - -19]。屋顶之间的互动角度运动和roadway-side支持下采矿行动有一定影响充填体的强度对巷道保护,和提出了相应的理论计算方法20.,21]。近年来,“软岩大变形理论”耦合支持原则被应用到充分调动深稳定岩层的强度,实现支持集成和负荷均匀。这个理论已经被进行几场实验验证(22- - - - - -25]。

重要的研究已经取得了在蒙古包地下压力分布的行为规律。研究表明,巷道周围岩石剧烈波动,因为主要权重和周期性加权的基本屋顶,导致支持变形,损坏蒙古包巷道,和屋顶裂缝或破碎的岩石(26- - - - - -28]。的暴力变形矿业面临的巷道有同步的影响权重(29日屋顶,沉降增加成正比的增加道路宽度和挂在屋顶的距离(30.]。的切割高度增加roadway-side支持身体沿着蒙古包部分高阻,roadway-side支持崩落的岩石的高度增加。路边的支持体和围岩可以尽快达到一个新的平衡状态,通过充分利用屈服煤矸石的承载力,从而减少巷道变形(31日,32]。此外,蒙古包的支持很难防止上层平衡的变化。然而,足够支持电阻可以帮助避免严重骨折直接屋顶上,防止形成巨大的上层之间的分离层,直接实现基本的屋顶在采空区端切(33]。因此,提高支持力量有积极影响对控制围岩保持道路(34- - - - - -36]。

自动通过屋顶切割和卸压巷道形成一个新的pillar-free挖掘技术(37,38]。在这种方法中,上覆地层的应力转移是通过双向切断能源积累爆破切割缝(39],顶板岩体崩塌形成巷道的一面,从而实现自动巷道工作面开采形成的。Self-formed道路无煤柱已经意识到通过屋顶切割和中厚煤层的卸压(40- - - - - -42]。结果表明,巷道围岩的应力状态,在这个过程中可以改进,适应和支持技术建立了巷道围岩的变形和控制其稳定性。目前,很少有研究的稳定控制围岩浅埋和deep-coal-bearing复合roof-cutting和减压条件下的公路。此外,研究roof-cutting和减压技术条件下浅煤层坚硬顶板是不够的。

因此,基于岩石力学在屋顶切割和减压,本研究建立了一个力学模型的硬顶屋顶切割和减压的过程,分析了巷道的稳定控制的关键阶段,并获得周边浅埋和deep-coal-bearing道路。最后,进行了现场验证来验证结果。

2。12201工作面地质条件

面对Halagou煤矿12201综采是第一个第二个面板的工作面煤矿12 #,倾向于面临320米宽,747米长(从切割孔停止线)。蒙古包部分的长度是580米。至于脸,煤层厚度从0.8米到2.2米不等。平均开采高度是2米。可行的储备达到61吨。煤层是相对稳定的,与12202年在西北,是附近唯一的脸。图1显示12201年的布局完全机械化的脸。

这张脸的岩性而言,上覆基岩厚度范围从55米到70米,而疏松的层的厚度和深度范围是0 - 33.48和60 - 100 m,分别。的直接顶板煤层是粉砂岩组成,平均厚度为1.84米。12号煤层上部是眼前的屋顶之上,和它的平均厚度为1.56米。煤层的顶部包含泥岩与平均厚度为1.35米。主要煤层的屋顶是由细砂岩和粉砂岩;的平均厚度3.34米和4.05米,分别。眼前的地板脸上的粉砂岩与平均厚度为3.67米。底部的立即地板是细砂岩与平均厚度为4.23米。图2显示了岩性的12201完全机械化的脸。

3所示。RCPR Gob-Side条目保留参数设计

屋顶需要一个适当的高度降低,确保运动的屋顶上的主要岩石梁在采空区上覆地层屈服煤矸石的支持。基于之前的研究和分析的基础上自动的关键参数与RCPR巷道,屋顶的高度和角度的影响切割地层的行为已经与FLAC模拟和研究3 d数值模拟软件,确认最优屋顶切割高度和分束角的煤矿12201工作面Halagou 6 m,分别。自动巷道的影响与RCPR已经通过进行双向累计实现爆破现场试验(43- - - - - -45]。高度可以确定使用以下方程:

自12201年的煤层综采面复合顶板,roof-cutting高度设置为6米。考虑到重要的角度对断裂的影响,切削角应该仔细衡量优化采空区的顶板崩落,实现合理的应力分布通过调整应力集中区域。在目前的研究中,切削角被设置为20°(46]。

两国累积强度爆炸是用于定向屋顶切割。在这种方法中,两种形状的指控被放置在一个收集装置有两个预设爆破方向。爆炸后,比预设的压力来自其他方向一致应用于爆破钻孔周围的围岩,在紧张的同时预设的方向。在这项研究中,最佳的电荷数量被设置为3 + 2 + 0 + 1。水井之间的距离是0.6米。水井的厚度为6.0米。最优涂胶泥长度是0.5米。十个水井在每个生成爆炸。图3显示了钻孔布置(47]。

4所示。地面压力行为Roof-Cutting定律和减压采场三浅埋复合屋顶

4.1。在采场地压行为法律的分析

采场主要是分为三个地层压力领域:roof-cutting影响区域,nonaffected区域在中间,和noncutting区域,如图4

基于分工的屋顶下的巷道卸,7个液压支持,用5 #、10 #、20 #,90 #,100 #,125 #,165 #,被选为ore-pressure监控,其中5 #、10 #、20 #位于巷道的影响区域在屋顶卸货,90 #和100 #位于中间影响区,和125 #和165 #位于露天的区域。图5显示了该地区支柱载荷影响屋顶切割、减压、巷道保留。

以下4.4.1。周期性压力一步距离

支持5 #、10 #、20 #传统煤炭开采过程中区域工作面开采阶段的开始。推到173米时,三个支持输入的影响区域屋顶切割、减压、巷道保留。表1列出了周期性压力一步距离的5 #、10 #、20 #括号在上面的两个阶段。

与传统煤炭开采过程领域相比,在该地区受到周期性压力一步距离屋顶的切割卸货和留住巷道增加一系列在18到22岁的米,即。,大约两倍。周期性的压力增加的影响下步屋顶切减压节目大直接顶高度和小块度的工作面(大断裂扩张系数),采空区的充填效果很好,煤矸石形成一个破裂通常可以填补采空区,和基本顶旋转的余地更小。旋转角越小,越小的旋转变形。因此,基本的屋顶不是容易破坏;压裂一步是增加。

4.1.2。支架阻力

与采场推进的过程中,这三个支持通过传统的煤炭开采过程域和切割屋顶屋顶卸货和留住巷道的影响区域。表2提供负载统计支持的两个阶段。

图表显示,相比之下,传统的煤炭开采过程中,屋顶切割的最大压力的时期,减压,巷道保留减少10 - 12 MPa范围或大约20%。基本顶断裂区间增加。然而,支持工作阻力降低。骨折的基本步提示增加,但支持的工作阻力降低。它表明,当屋顶直接分解和落后,基本上破碎和肿胀的煤矸石填充采空区的影响下爆破切割头。基地屋顶不旋转的空间。因此,旋转变形也小,直接顶的采空区留巷也小。

4.1.3。影响区和毛边的前区在中间

6显示了负荷曲线的95 #,100 #,125 #,165 #支持。

支持的最大和平均周期压力中间的工作面是60和44 MPa,一步距离的周期性压力是在10 - 20米的范围。最大的周期性压力55 MPa,平均值是37 MPa。一步的距离的周期性压力是在8 - 12米的范围。基于负荷曲线中间柱子的支持不受影响区域(95 #,100 #)和毛边的面积(125 #,165 #),周期性的压力值的步骤和支持负载表中列出3

4.2。分析力变化规律的扩张和收缩的锚索恒定阻力和大变形

基于的工作面和锚索应力计的安排,我们选择压力监视点11 #和12 #锚索,位于331米距离的12201工作面明挖的洞。

分析显示如下:(1)生成的推进集中应力的工作面影响了锚索的压力,和进步的影响范围一般都是30 m,如测量点15 #、14 #、13 #(2)当罢工的长度等于采空区的趋势,应力集中,有明显ore-pressure形成、屋顶和地板的变形大,容易和冒顶发生

工作面推319米时,发生了较大的应力集中,从而导致增加锚应力值的测量分11 #和12 #在工作面前。图7显示了锚应力值的变化曲线。

4介绍了关键位置和最大拉伸应力的应力曲线锚索。

4.3。变化规律的分析屋顶分离

根据工作面推进和屋顶的安排分离器,五个监视点1 #,2 #,4 #,5 #,6 #选择,定位260,280,330,430,480 12201工作面远离露天的眼睛。

分析显示如下:(1)工作面推进的影响在屋顶上分离的道路,这是通常在±50米。当巷道顶板条件很穷,这主要是受到集中应力的工作面,如测量点1 #和2 #。当巷道顶板条件很好,它主要受开采后形成的短梁的应力,如测量点5 #和6 #。(2)基于曲线的稳定位置的监视点4、5和6,工作面回采后,当屋顶分离值趋于稳定,落后的距离工作面81,81和94,分别。

换句话说,当工作面滞后的距离大于95米,巷道顶板分离往往是稳定的。图8展示了屋顶的变化曲线分离值在屋顶监测分离点。表5展示了屋顶分离的关键位置和最大值变化曲线。

4.4。分析支承压力的变化规律和收缩在落后单一支柱

四个监视点的支持下压力和收缩落后单一支柱(2 #、7 #、12 #、13 #)被选中,位于26日,73年,176年和205米距离的12202工作面明挖的洞,分别。

分析显示如下。(1)的支承压力滞后单一支柱主要是体现在两个方面。①它迅速达到额定的支持力量,在一定范围内波动,如测量分7和12的支柱。②工作表面的进步一定距离后,逐渐达到额定的支持力量,在一定的范围内波动,比如在测量分2 #、13 #支柱。

(2)曲线的稳定位置的监视点2,7日,12日和13日,我们发现工作面回采后,当活动列下的最大收缩往往是稳定的,落后的距离工作面90,92,98和102,分别。

当磁滞工作面的距离大于100米,巷道顶板的下沉趋于稳定。这是与前面的结论一致,”巷道顶板分离倾向于稳定只有当滞后工作面距离大于95米。”

9显示了支承压力的曲线和收缩活动列在监视点单一支柱。表6显示的关键职位和最大价值积累的收缩活动列。

4.5。分析巷道侧向压力的变化规律

两个侧压力监测点安排在巷道的采空区,240米和302米距离的12202工作面明挖的洞。监测的最大侧压力值点1 # 2.0 MPa,平均值为1.7 MPa稳定后,即工作面,30米。监测的最大侧压力值点2 # 0.8 MPa,平均为0.7 MPa稳定后,即从工作面滞后,39 m。图10显示监视的侧压力值及其变化曲线的两个侧压监视点。

4.6。比较分析的表面变形

野外观测表明,roof-cutting和pressure-relief-retaining巷道的表面变形明显低于常规采用长条件下。裂缝宽度很小,1 - 3毫米的范围。表7比较了地表沉陷和损害。数据1112显示的比较表面裂缝开发区和实际情况。

基于上述分析,沿采空区巷道顶板运动可分为三个阶段:一个活跃的阶段,直接冒顶,基本顶断裂的一个活跃的阶段,屋顶和一个稳定的阶段。

4.6.1。直接顶落活跃的时期

随着工作面推进的,支持不断向前发展,顶板岩层和后方的工作面失去支持的支持。的直接顶板保留巷采空区的一面是在切削力的作用下产生的重量。回填的边缘附近的直接顶板巷道被打破了。它就像一个倒扣着的步骤在悬臂梁的状态。在这个阶段,直接驱动的屋檐下屈服和基本屋顶沉没,采空区巷道顶板的变形主要是旋转变形。屋顶活动在这个阶段也直接冒顶活动时期。当屋顶直接崩溃可以填充采空区,顶板岩层的基本打破和崩溃。基本的屋顶可以形成一个砌体结构达到稳定平衡的过程。

4.6.2。活跃的时期基本顶断裂

当直接不足以填补山羊,顶板岩层顶板岩层的基本也会崩溃的弯曲断裂,充填采空区砌体结构形式,和运动平衡的过程中,因为煤体内的刚度大于屈服了煤矸石的采空区。因此,上覆岩层的重量基本屋顶上逐渐转移到旁边的煤炭的深度通过直接顶板巷道;应力集中发生在深层煤炭的身体的一部分,旋转屋顶的基本块。基本的屋顶岩石逐渐稳定下降的支持下煤矸石在底部,这样沿采空区围岩压力低于原岩应力。

4.6.3。屋顶稳定时间

变形仍主要由旋转,以高速度和大小。在此期间,屋顶的变形占总数的60 - 70% rotation-induced巷道的变形。逐渐压实的煤矸石、稳定的上层也会打破,变形和下沉,从而破坏煤壁甚至直接屋顶。支承压力范围会增加,峰值将继续向内移动,保持巷道上方的屋顶并行会沉没。由于分层的崩溃的影响基本的屋顶,屋顶的道路将水槽波动的方式。屋顶运动主要是平行的沉降。然而,沉降速度很低。

5。数值模拟发展的浅埋我的压力,综合Roof-Cutting卸货采场

更好地研究矿山压力分布规则自动roof-cutting和减压条件下巷道工作面形成无煤柱开采,我们应该分析采场顶板的运动模式和上部岩层,理解运动机理和围岩的应力分布更清楚,并有效指导的选择在未来支持和相应的设备。

根据现场实际情况,逐步挖掘过程的数值模拟进行了每次15米的距离,与模拟回采长度60米。最初的压力强加的x方向,y方向z方向是10 MPa, 10 MPa,分别和15 MPa。埋藏深度设置为200。工作面宽度300米。

如图13工作面时,挖出了15米,尾巴上的压力和中间是相对较高的。垂直压力工作面附近的切缝对齐槽为2.4 MPa,最后一面是3 MPa。

工作面接近的水平应力槽槽为0.9 MPa,最后一面是1.2 MPa。开槽槽的压力降低了25%,在最后一面。

如图14后,30米开挖工作面,它经历了初始压力基本的屋顶,和初始压力一步距离约40米。的整体压力工作面基本顶压力后小。工作面接近的垂直应力槽槽为2.09 MPa,最后一面是2.6 MPa,割缝槽的侧压力的价格相比降低了20%。工作面接近的水平应力槽槽为1.092 MPa,最后一面是1.4 MPa。开槽槽一侧的压力小于22%,在最后一面。

如图1545米的开挖后,工作面附近的垂直应力槽槽为1.8 MPa,而尾一侧为3.0 MPa。开槽槽的侧压力相比降低了40%。工作面接近的水平应力槽槽为0.9 MPa,最后一面是1.2 MPa。开槽槽面压力降低了25%,在最后一面。

如图1660米的开挖后,工作面经历了周期性的压力,压力一步距离30米。工作面接近的垂直应力槽槽2.6 MPa,而尾一侧为3.12 MPa。开槽槽一侧的压力相比降低了30%。工作面接近的水平应力槽槽为0.9 MPa,最后一面是1.2 MPa。开槽槽面压力降低了25%,在最后一面。

总之,卸载后的削减无煤柱开采技术,最初的采场应力分布发生了变化,特别是在切缝网关。工作面后上覆岩层形成的悬臂梁结构,防护空间形成沿槽;隧道的安全保证。煤柱的原始侧压力沿槽的深度被转移到相邻工作面。此外,仿真结果表明,应力集中在成立6米远离相邻工作面巷道,和原来的工作面应力分布也发生了变化。

通过比较数值模拟的现场实际情况,可以总结如下:(1)开槽的工作面一侧的压力很低,垂直应力降低了大约27.5%,水平应力降低了24.25%。相同的数值模拟表明,巷道的影响范围在工作面矿山压力是25米,与现场实际测量数据一致。(2)周期性的压力一步工作面是30米,和实际现场周期性压力一步是大约30米,与原来相比增加约1米周期性压力的步骤。(3)申请roof-cutting和减压技术后,原巷道上方的压力逐渐转移到相邻工作面,工作面内形成应力集中6米远离保留巷道。尽管如此,保留了巷道在减压区,从而确保其安全性。

6。屋顶下的稳态控制围岩卸压

基于现场监测和数值模拟的分析结果,我们优化相关参数coal-pillar-free挖掘技术的自动巷道形成浅埋深条件下含煤复合屋顶,避免重复投资的支持。具体的优化参数如下。

6.1。支持槽的参数

屋顶是由一个普通锚索和大变形锚索恒定阻力。一行的锚和大变形巷道预留缝边。锚杆采用钢筋螺栓;锚链连接钢带型和传播6.5在顶板岩石刚性网格。上部用20毫米×2000毫米玻璃纤维螺栓,行之间的间距为1050毫米×1500毫米,塑料编织网是40毫米×40毫米。顶板锚索(普通锚索和恒阻大变形锚杆)使用22毫米×8300毫米钢链,行间距为2000×2000。其中,之间的距离不断的抵抗和大变形锚索是600毫米,钢筋锚杆是18毫米×1800毫米,和行之间的间距为900毫米×1000毫米。边的边附近的岩石螺栓和垂直线安排15°角。钢带是8毫米×140毫米×4600毫米,直径6.6毫米的钢网,网格大小是100毫米×100毫米。图17显示了优化支持部分沿槽。

6.2。单在巷道的支持

根据现场实际应用的分析,支持巷道的压力的影响是减少屋顶切割后,减压,巷道保留。的支持形式道路可能是“一个梁,三列,如图18。图19给出了现场应用效果。

7所示。结论

本文通过理论分析、现场测量、数值模拟,巷道围岩的稳定控制在roof-cutting和减压条件下进行了研究。主要结论如下。(1)坚硬顶板的应力模型自动巷道形成roof-cutting和卸载条件下成立。机械分析进行了坚硬顶板的变形在屋顶上切割和卸货。当工作面推过去的切缝,采空区顶板的运动。(2)基于远程ore-pressure监测系统,岩石表面运动,和断口观察,表面裂缝和沉降后明显减轻屋顶切割和减压。巷道顶板运动可分为三个阶段:一个活跃的阶段,直接冒顶,基本顶断裂的一个活跃的阶段,屋顶和一个稳定的阶段。通过ore-pressure监测,相比之下,传统的煤炭矿区,受灾地区的roof-cutting减压增加了在18到22岁的米,即。约两倍,减少20%。可能是已知的观测漂移分离、屋顶和地板位移,锚索和支柱被迫收缩的列。恒定的变形阻力锚索不到屋顶的沉降,这主要是受上部岩层的弯曲下沉。然而,在恒定电阻锚索的控制范围,层分离值小,有效地提高了轴承的功能层。脸上推进有线压力的影响范围约为30米,通常±50米的煤工作面。当工作面滞后的距离超过100米,巷道顶板分离和屋顶沉降趋于稳定,和最大收缩活动列是217毫米。支柱被撤回了一个星期后,巷道的屋顶往往是稳定的。期间累计沉降约为9毫米。(3)比较数值模拟和实际工作条件表明,工作面压力在开槽端矿业面临的是低,垂直应力降低了约27.5%和24.25%的水平应力。的影响范围在工作面巷道的矿压25米,和工作面周期性压力一步距离30米,与现场实测数据一致。申请roof-cutting和减压技术后,原巷道上方的压力逐渐转移到相邻工作面,工作面内形成应力集中6米远离保留巷道。尽管如此,保留了巷道在减压区,从而确保巷道的安全。(4)基于理论分析、现场测量和数值模拟,我们开发了一个积分控制方法对巷道围岩的屋顶由自动切割和减压的12201完全机械化开采的脸,Halagou煤矿。恒定阻力和大变形锚索是添加到附近的侧切联合,积极支持和单体液压支柱+ 11 #工字钢+钢网是用于支持相结合的工作面支持。灌浆锚杆支护是用来加强破碎松散围岩gangue-retaining一侧的隧道。通过支持的优化设计,围岩控制效果是显著的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由辽宁省级教育部门基金(LJ2017FAL002),辽宁大学生创新创业训练计划(2017101470001)和中国博士后科学基金会(2020 m680490)。