文摘
针对的问题加强采场上覆岩层的变形和严重的压力损害采矿中深典型的地质环境,矿山的深部开采面临西北部为研究背景,特点,影响因素分析了上覆岩层深部地质环境崩溃,影响上覆岩层综合评价系统不稳定和变形,建立了和深部采场顶板的时空演化规律失败是通过使用“three-zone”上覆岩层的分布理论,层次分析法和数值模拟方法。结果表明,高地应力最显著影响深部采场的地质环境,其次是围岩的性质、水文地质条件和卸荷扰动。损伤程度的塑性区顶部的表土大于底部。随着开采时间的增加,损伤范围的屋顶和地板逐渐增加。在煤层开采过程中,增加范围和下沉的趋势屋顶工作面附近的压力更大,和远离工作面,增加范围不断减少。研究结论为煤层的安全开采提供了重要参考和围岩控制在复杂环境中如深部开采、高压力和强烈的干扰。
1。介绍
煤炭开采技术的升级和生产方式的进步,浅由于大规模开采,煤炭资源日益枯竭和地下空间资源的开发利用逐渐延伸至深。在地下开采的深入发展的过程中,采场周围的地质环境也在改变随着深度的增加,带来了一系列的地质灾害。这些问题将会导致不均匀分布的覆盖岩石压力和围岩过度变形。很容易引起岩爆、煤与瓦斯突出,和采矿工程岩爆操作,严重威胁到施工人员的人身安全,影响矿井的安全生产。
在地质和力学环境的演化规律在深部开采,学术界和工程技术人员进行了卓有成效的研究。陈等人。1]研究了巷道开挖过程中围岩的特点。系统进行了实验分析等相关因素岩体特征不同的围岩裂隙分布,周围的压力和温度变化。得出裂缝扩展区岩体形成于不同的位置和相应的岩体破坏特征。马等。2]提出的支持技术的组合桁架锚索锚有线电视网络。结合深埋巷道围岩的力学条件和环境特征,高强度锚索支持技术可以控制围岩的变形在一定范围内。通过定量分析的本构损伤曲线模型变质大理石和变质花岗岩大冲击应力失败和结合本构损伤弹性模型和弹性变形本构模型,山等。3)建立了一个基本的本构损伤弹性模型无变形变质岩石覆盖大型冲击应力的失败。院士钱(4)表示,高初始地应力之间的交互在深度和卸载期间巷道表面形成开挖会引起分区断裂。姚明et al。(5]应用现场测量、理论分析、数值模拟、或其它方法进行深入分析,在工作面煤柱,获得积土压力的变化规律完全机械化开采,并总结了法律与发展运动的特点在表土完全机械化开采煤柱的脸。王等人。6)建造了一个开采煤层结构模型,通过相似材料用来观察破产法律上覆地层在不同开挖阶段。红外热成像仪和高精度的散斑系统被用来研究红外辐射的时间和空间特征在上覆地层的运动。基于岩石运动过程的研究,徐et al。7)作为采动岩层的变化卸货扩张和recompaction的动态过程,揭示采动卸扩张的累积效应岩石岩石运动规律及其影响机制。根据岩石破裂和变形的特点,锅等。8)增加了参数,实际上影响巷道的围岩。因此,建立了岩石模型与全应力-应变曲线分割,和机械性能,推导出圆形巷道的弹塑性解。最后,弹性带的分布特点,塑料残留区、塑性软化区深圆形巷道的作用下非均匀应力场进行了分析。Azim [9)建立了一个数值模型的孔隙弹性有限元方法加上水流,压力,和其他相关环境因素和研究水力压裂扩张的主要影响因素,应用于致密砂岩储层水力压裂技术。Valliappan et al。10]研究水力压裂在各向异性介质的变化规律。水力压裂的二维数值模型是由使用有限元方法建立几个物理等领域孔隙弹性和地方的压力。总结了各向异性参数对裂纹扩展的影响。黄(11)用数值模拟和力学分析研究采场顶板突水机理的动态和静态载荷的共同作用下,推导出不稳定和突水的力学基础底板隔水层,并讨论了屋顶倒塌的影响在动态加载和地板损坏的影响深度和承压水高度。江和歌曲12]分析了深部开采生产的影响突水的屋顶和地板侵蚀岩石和指出,侵蚀岩石变形和破坏的屋顶和地板由于开采过程会增加地板的连接。侵蚀的岩石断裂表面被重新激活,防水层的厚度是削弱,导致水从屋顶和地板的破裂。Zhang et al。13]研究了水压力对含水层的水量的影响在深岩石和顶底板的突水的工作面。发现纯水压力很难穿透完整的厚的岩石形成突水,表明当承压水软化,溶解和侵蚀,它将有一个很大的影响在顶部和底部的耐水能力隔水层。王等人。14- - - - - -16)建立了一个综合评价系统的围岩不稳定和失败;获得围岩裂隙场的时空演化特征,应力场、位移场;和讨论了机械进化定律屋顶裂缝,位移场,在深部采场围岩应力场。关键块的变形特点和应力状态结构模型开挖前后运用FLAC3D软件模拟和分析,和机械性能和不稳定机制三种空间结构模式下的关键块的失败。使用相似的材料模型,关键块的结构力学性能模型巷道开挖前后的顶部和失败变形的时空演变规律进行了研究。李等人。17]分析了运动规律和应力演化特征的岩石结构一步矿业面临的阳澄湖煤矿和揭示岩爆的诱导机制的角度动态负载和能量释放。郝et al。18)研究的限制条件和力学根源孤岛工作面围岩动态触发灾害,提出了评估标准的影响灾害防治和安全、高效开采。
目前,深矿井的理解不一样深的浅的矿山,有整体缺乏工程经验,深理论体系并不完美。这些问题已经成为深部开采不可避免的障碍。因此,研究深部采场涂料的变形的演化规律岩石变得越来越紧迫。摘要深矿井下典型地质环境为工程背景,根据岩石变形和破坏的空间演化特征工作面在开采过程中,位移场和应力场的耦合演化规律的岩石在深的共同作用下采场高压力和强干扰研究,为深部资源开采提供重要的参考和采场围岩在复杂条件下预防和控制。
2。分析岩石坍塌在深典型的地质环境特征
2.1。分布理论的“三个区”覆盖的岩石
在煤层开采过程中,上覆地层矿业脸上从自下而上分为三个区域,即屈服区,断裂区,和弯曲沉降区,如图1。
一般来说,对深部采场,随着煤层开采的发展,快速地层开辟区将会崩溃,屈服时偶尔会有延迟。屈服区域的高度是一个重要的指标来衡量采场岩石的失败的范围和程度。通过统计和数学分析的高度屈服区在每个深部开采区域,传统的计算公式是修改和改进;的公式计算的高度屈服区适合深部开采面积(19]
在公式(1),的高度是屈服区(m)和累计开采厚度(m)。
预测开采厚度是8 m,屈服区高度为23.05 ~ 28.05 m,和屈服比率是2.88 ~ 3.51。屈服比小于1.4时,岩石的屈服区域不能达到采空区的充填效果,地层压力强,和工作上的屋顶表面难以控制,导致压架事故。与屈服比的增加,屈服岩石可以有效地减少屋顶权重力量和满足屋顶矿业面临的控制要求。岩层的破坏但不崩溃,它将与原岩挤在一起,互相咬,形成一个砌体梁,并支持上涂层的岩石的压力。这种压力传播给一些支持打破时,叫做铰链梁传播,也有很大的影响在涂层的崩溃的岩石上。通过统计和数学分析的高度在每个矿区深断裂带,传统的计算公式是修改和改进。计算公式适用于断裂带深部开采区域的高度
预测开采厚度是8 m,断裂带的高度是110.87米~ 122.07米。
2.2。采场崩落的岩石特征
研究采场岩石屈服特征,它是基于皮尔森三世公式的方法。皮尔森的预测公式类型III公式方法在围岩倾向的主要部分是20.]
皮尔森三世的公式公式方法概率积分法的主要部分
沉降值的计算公式在任何点上覆地层
在上面的公式中,对开采程度系数;价值的岩石类型,硬度0.7,中等硬度0.8,和柔软的硬度0.9;价值1.0的时候 ; 工作面长度(米);是煤层的倾角(°);煤层厚度(m);最大沉降(m);是较低的边界(m)的深度;平均开采深度(米);是垂直高度在一定阶段(m);底板块边界角(°);是屋顶边界角(°);和任何点的沉降在风化岩层(m)。
根据计算公式和采空区范围的三维数据格式统一的岩石,模拟岩层替换到适合在Matlab函数,然后,表面拟合是由使用函数。最后,结合预测拟合结果函数参数计算岩石的屋顶坍塌,和三维,二维平面地图的屋顶沉降值岩石,如图2和3。
从图3的进步,可以发现,在工作面开采,采空区的屋顶逐渐崩溃。因为整个挖掘过程是动态的,屋顶层岩石的屈服形式基本上是一致的每一点。涂层岩石冒顶的高度增加随着矿业的进步,以及岩体屈服显示一个碗的形状作为一个整体。最大屈服值是在中间位置从矿业起点到矿业到达点。罢工的方向表面,涂层岩石的屈服屋顶基本上是u型的。模拟开采长度是100米。从图表可以看出,冒顶达到最大值在采空区罢工表面50米,最大值是1.16。沿倾斜方向,岩石崩溃显示了广泛的U形;底长度是40和固定。从地图上可以找到,屋顶倒塌5米之间快速的前后倾斜,达到最大值,10米中间的倾斜平面基本上维持在最大。
3所示。位移变形的影响因素深入分析采场岩石
3.1。影响因素评价
有许多因素影响覆盖运动和变形的岩石,还有这些因素之间的联系。筛选出主要影响因素从许多影响因素,有必要从定量或定性分析是否使用传统检查方法或模糊数学方法。本文以岩石位移的影响因素在深矿井西北部为研究对象并选择模糊层次分析法分析影响因素的权重,从而获得的比例的影响因素在煤矿岩石位移。
导致深部采场的位移变形的因素主要包括以下:水文地质环境、高地应力、围岩性质、和干扰效果。层次分析法(AHP)用于将事件相关多因素影响岩石稳定的重要性,并筛选出关键影响因素为深矿井开采提供参考。
上述分析的基础上,建立了评价因素体系,如图4;第一层是评价目标层;第二层是中间层,中间层的因素是父节点;第三层是基本要素层和中间的基本因素是改进的因素。模糊综合评价的顺序从基本因素中间因素,从下到上,从下一层上面的一层一层地计算和分析。
3.2。建筑分层渐进结构模型
根据评价因素结构和指标体系如图4,建立了层次结构模型在表1。
3.3。发展的判断矩阵
对每个因素的重要性是通过构造判断矩阵。判断矩阵是由比较的因素属于同一层指标。
的重要性指数元素由9-level比例缩放方法,如表所示2。
结合工程地质条件和数学分析,以下判断矩阵得到:
一个新的判断矩阵可以通过规范化矩阵 。
以上规范化后的判断矩阵添加行。
归一化向量显示如下:
一致性测试是最大特征值进行确定的矩阵是
一致性指数是
根据随机一致性指标的价值是0.90,最后,测试系数是
通过计算判断矩阵是合理的和一致的。因此,标准层的层次单排序 , , ,和获得,元素的层次单排序吗计算各准则层。
根据表2,判断矩阵 - - - - - - , , , ,和分别建立,如表所示3- - - - - -7。
根据所有决定层之间的相对权重和标准层,影响因素的总订单,如表8。
3.4。分析评价结果
评价分析的变形和破坏的影响因素深覆盖的岩石,它可以发现岩石的内部压力变化对稳定性的影响最大的岩石上,和它的重量值为0.5069,排名第一的准则层。岩石结构的重量值压力是接近两倍的矿山压力,表明岩体本身的应力环境对封面的稳定性影响最大的岩石。随着开采深度的加深,水平应力不断增加,和整个埋岩的原岩应力值增加,因此,和埋在岩石的稳定性不断减少。正因为如此,深埋岩高地应力的变化将明显影响埋岩石的变形。
除了封面岩石承受的压力,围岩本身的物理力学性质对其总体影响失败的第二位。其中,凝聚力有最大的影响,与体重值为0.1427,其次是内摩擦角,体重值为0.0535。变形模量,包括弹性模量和剪切模量,控制其稳定性相对较小,但是他们也达到0.0185。封面深覆盖的岩石,岩石通常是不连续的,因此岩石的力学性能对岩体的强度有很大的影响。可以看出从岩石的评价涂层对凝聚力的变化最敏感,对变形模量和不敏感。
虽然水文地质环境的影响涂层的变形和破坏岩石排名第三,地下水渗流和气体压力的影响在涂覆岩的稳定性和第四方面排名第七,分别和权重值是0.0782和0.0334,表明水文地质环境的干扰也是特别重要的深覆盖的岩石。由于超深的煤层地板和高奥陶系灰岩水压力的影响深煤层开采,没有结构煤层底板突水,这不仅破坏了地板,也会影响涂层的稳定性岩石由于侵蚀和软化水的岩石在封面上。热力学稳定的传热的影响涂层摇滚是最小的,但它不能被忽视。
干扰覆盖岩石的稳定性的影响不容忽视,和准则层的权重值是0.0729。
4所示。时空演化规律侵蚀岩石在深典型的地质环境
4.1。建立数值模型
以西北煤矿为工程地质背景,应用FLAC3D软件被用来研究失败定律围岩塑性区煤层开挖的过程中我的工作面。根据工作面地质条件和岩层的物理力学参数,建立了数学模型。模型的垂直高度 米,罢工工作面长度 米,倾斜长度 米,由560000辆。
在挖掘的过程中,不同地层的力学性能是不同的。一般比抗拉强度、抗压强度高和压力变化是非线性的。应该选择正确的本构模型开采地层深处。针对摩尔-库仑塑性本构模型,针对摩尔-库仑屈服准则和采用。数据显示,这个数值模拟的岩石力学参数如表所示9。
煤矿是一个动态的过程。从矿业的初始阶段到最终稳定的采场顶板和巷道围岩的动态变化,应力场和位移场的变化工作面被记录。基于我的工作面,原始数据模型成立。为了防止边界效应,开挖巷道是30米的距离模型的左和右边界保护煤柱。模型是五次发掘,开挖距离20 m, 40米,60米,80米,100米,分别。为了收集数据在仿真过程中,三个模型中的观测线设置。第一行是沿走向方向中间的工作面,和其他两个监测线设置在上覆泥岩5米和20米从屋顶的工作面。
深部煤层的开采使原始应力重新分布,和压力降低的部分逐渐变得减压区,而应力集中发生在压力增加的部分。通过建立岩石地层模型,应用FlAC3D软件用于我的模型和研究岩石侵蚀的演变规律运动。FALC3D用于分析深部煤层开采深度不同的压力,和相关的压力在20 m, 40米,60米,80米,100米。
4.2。深岩的应力演化规律
4.2.1。准备纵向压力分布
我深埋岩体的自然平衡状态没有开采的影响,和深部开采活动将在瞬间打破原有的平衡,导致地应力的释放,从而导致埋岩体变形之间的不平衡和自由表面的稳定性,和埋岩体附近的压力重新分配。围岩垂直应力分布在工作面采煤后如图5- - - - - -8。
垂直应力分布数据5- - - - - -8工作面上方显示进步的工作面,应力集中区域首次出现两边的左右,然后,应力集中区域两边逐渐向前和向后移动。在整个采空区上覆地层的形成成正比的拉应力区域工作面。5米的最大垂直应力值和20 m在100工作面上方18.87 MPa和13.71 MPa,分别。通过比较分析两个位置的数据,可以看出,远离工作面,应力集中的传输速度越快。最大应力值下降缓慢与侵入岩的高度的增加,和中间的拉应力区范围减少慢慢随着高度的增加。
4.2.2。水平应力分布
上覆地层的水平应力分布如图9- - - - - -11。在5米距离工作面,工作的进展的脸,第一次应力主要集中在挖掘方面,和在另一端的压力逐渐增加。开挖一段距离后,两端的压力值是相同的。在20米远的地方,工作面,与下面,上面的初始应力集中中央采空区。的推进过程中,应力两侧向前和向后移动,和拉应力区逐渐形成在中央区域,在区域和应力集中区域形式双方的应力值增加。水平应力,应力值两边的采空区先增加然后减少,显示一个凸形状。当工作面推进一定进步,压力达到平衡。
开挖后的应力分布地图显示,压力不断变化,和较低的应力分布板的工作面采空区是重新分配。与工作面推进距离的增加,垂直应力也增加,但这不会破坏其分布规律。
发展的工作面,双向压力有增加的趋势。双向应力达到峰值时第一次工作面达到60 m,达成”的遭遇。“在这个时候,侵蚀岩石活动加剧,岩层活动的影响,动态压力继续上升,逐渐远远超过静压。在接下来的时间,围岩压力继续增加。
4.2.3。最小主应力和最大主应力
通过观察三个最小主应力从数据图12- - - - - -14,可以发现,在采矿过程中,上覆地层的拉应力区采空区上方是长方形的,和从外到内应力值逐渐降低。周围的最小主应力是主要分布在采空区上覆地层。在推进过程中,分布区域主要集中在采空区的左右,与压力值也增加。通过比较最低压力值在三个地方图15,它是发现,工作面周围的最小主应力值是最大的,这是25.23 MPa时,前进100米。在上覆地层中,值在5 m和20米工作面19.38 MPa和13.71 MPa,表明应力值会逐渐减少随着高度的增加。
根据观测数据的三个最大主应力16- - - - - -19在采矿过程中,采空区上方覆层的拉应力区域也是矩形,和从外到内应力值逐渐降低。工作面距离越高,中间的拉应力区逐渐增加,最后趋于稳定。最大的压力是主要分布在采空区的边缘角落,和增加其价值随着推进距离的增加。工作面周围的最大主应力为10.03 MPa,和最大压力在5 m和20米工作面5.98 MPa和3.95 MPa,分别。可以看出,最大主应力也随涂层岩石高度的增加而减小。
4.3。进化定律覆盖岩石迁移
4.3.1。垂直位移
当工作面开采开始,覆盖岩石屋顶和地板的位移很小。挖掘工作继续推进,影响范围覆盖岩石运动的增加,垂直和水平运动也逐渐增加。矿业达到某一点后,屋顶和地板的垂直沉降值趋于稳定,显示对称模型,屋顶和地板的垂直沉降值达到最大值沿走向中心的距离。根据上述分布的数据20.- - - - - -23可以看出,当工作面开采距离是20米到100米,上覆岩层的垂直迁移屋顶不断增加,从最初的33.83厘米到127.04厘米,并逐渐趋于稳定。同样,地板的垂直位移增加从27.46厘米到46.28厘米,然后保持稳定。它可以发现,当达到矿业面临的“遭遇”,地板的垂直位移达到最大,往往是稳定的,因为矿业的延续,屈服在采空区岩石进入压力状态,屋顶逐渐压实,屋顶和地板的最大垂直位移逐渐减小并趋于稳定。最后,采空区逐渐压实,地层是扩大和挤压形成裂缝。
通过观察和比较5米的垂直位移和20 m工作面上方,它可以发现,广场的垂直位移地层矿业脸上基本上是相同的。进步的工作面,位移逐渐增加,达到最大位移在中心,对称,和双边,显示一个“U”类型。通过仿真结果,可以看出,在工作面5米以上,放牧岩石的垂直位移逐渐增加从28.89厘米到122.60厘米,在工作面上方20米,放牧岩石的垂直位移逐渐增加从19.78厘米到110.26厘米。发现的最大位移为4.44厘米和16.78厘米从屋顶比工作面不同,分别。更高的放牧岩石和工作面之间的距离,虽然整体沉降法是一样的,垂直位移会逐渐减少。越远的距离工作面,沉降越小。
4.3.2。水平位移
据图分析24在水平方向上,矿业发展的增加,采空区的中间水平移动值是0,和抑郁症之间的距离的增加两岸的采空区大约是相同的。起初,位移不断增加。工作面推进一定距离后,水平增值幅度变得更小,逐渐趋向于最大。
4.4。进化定律在覆盖岩石裂缝现场故障
它可以看到从分布数据25- - - - - -28深部巷道开挖后围岩塑性区shear-n shear-p代表剪切应力,shear-n代表屈服剪切应力,从弹性变形到塑性转换失败。Tension-n tension-p表示拉应力,Tension-n代表产生拉应力,和岩体将受到拉伸断裂。
煤炭开采后,上覆地层受到剪切应力和剪切应力的影响,开始变形和破坏。此时,剪切应力最大值,并主要集中在围岩的两端。工作面开采的过程中,失败的屋顶和地板的失败深度增加煤层的开采工作,倾向于稳定当矿业达到某个点;随着矿业的发展,从那以后,岩石的变形趋于稳定,但损害的范围扩大采矿过程。
5。结论
(1)综合评价体系深部采场岩石构造的演化,这是由水文地质环境、高地应力、围岩性质、和干扰因素。得出高地应力和围岩性质的改变岩石的最明显的影响采场岩石深处的进化。高地应力的重量在岩石的进化是0.5069,围岩的岩石的进化上的属性是0.1427(2)煤壁压力的变化特征在采空区开采。在采矿过程中,最大应力出现在煤壁两侧的采空区,和最大应力增加逐渐增加的挖掘过程。然而,在某个矿业距离,煤壁附近的岩石压力的变化范围与采矿过程逐渐稳定(3)垂直位移的变化特征在工作面开采顶板岩层的显示。在采矿过程中,工作面围岩的垂直变形大于地上的石头,和采空区沉降值的增加逐渐增加的矿业距离和最大沉降值出现在中间位置的采空区(4)工作面开采过程中,塑性区损伤范围的屋顶和地板侵蚀岩石继续扩张,和屋顶的扩张区和损伤程度明显大于的地板上。连续采矿工作,失败的屋顶和地板逐渐增加,但失败的深度并没有改变多少。与此同时,由于顶板围岩垂直位移的变化,裂缝出现在岩体塑性区,导致气体流动和发射,围岩孔隙压力开始释放(5)通过比较表层的应力和位移变化特征在不同位置的工作面,发现应力增加幅度和上覆地层的沉降幅度更大的工作面附近,远离工作面,增长幅度越小,和围岩的压力显示了减少进化法从近到远
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
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51904266),湖南省教育部优秀青年项目(批准号21 b0144), 2022年资助项目湖南省高校青年骨干教师,教学改革与研究项目2020年湖南省高校(批准号hnjg - 2020 - 0231)。