文摘

在煤层开采过程中,经常有硬厚关键层上覆地层。由于高强度和良好的硬厚关键层的完整性,硬厚关键层破碎后,上覆地层将会崩溃,失去稳定在一个大区域,这是非常容易诱发岩爆等灾害动态,矿山地震、煤壁屈服和屋面板屈服。针对坚硬厚关键层上覆工作面,矿井下的动力响应强烈破坏引发的矿山地震的主要关键层高层岩浆岩进行数值模拟和分析利用FLAC2D数值模拟软件,和应力场的变化规律,位移场和速度场的煤层巷道在不同边界条件和不同焦高度进行了研究。研究表明,固体煤巷道的屋顶是倾向于在一个小范围内,振动和位移的增加和减少干扰。地板的位移和双方的固体煤巷道和顶层的两面巷道沿采空区继续增加扰动的初始阶段,和位移将与扰动的持续保持稳定。双方的位移和屋顶和地板的采空区巷道后期可以达到稳定的干扰,并与相邻采空区的数量的增加,时间越长对围岩位移达到稳定。焦身高低于90时,围岩的变化反应急剧增加的减少焦高度。在低岩层发生强烈地震时,巷道围岩破坏的影响几乎是不可避免的。强烈地震的影响程度对巷道围岩稳定性的安排如下:gob-side巷道一侧(开采)>固体煤巷道两边(开采)>固体煤巷道一侧(开采)。进化过程也表明,工作面边界条件有重要影响的能量传播我的地震。 With the increase of the number of adjacent goafs, the faster the energy attenuation rate of mine earthquake propagation is. The research results have important reference significance for the safe mining of working face under similar geological conditions.

1。介绍

随着开采深度的不断增加和地应力,矿山动态现象或矿山地震等灾害,岩爆、煤与瓦斯突出,支持动态负载越来越严重(1- - - - - -6]。相关研究表明,上覆岩层运动的范围和应力场动态灾害相关的深部开采已超过传统的范围基本屋顶在纵向方向。特别是,当工作面有硬的表土和厚关键层,由于良好的硬和厚关键层的完整性和第一大跨度,轴承和屏蔽效应下的坚硬厚关键层,工作面支承压力集中的超级厚关键层破坏之前的高,关键层下的分离空间很大。当硬厚关键层的悬跨长度达到极限悬跨长度,关键层将打破7- - - - - -9]。由于大量的分离空间硬厚关键层下,破碎的岩浆岩块迅速下沉,产生强烈的瞬时动能,释放出大量的能量,并产生矿井地震。当能量足够大时,甚至有产生强烈的地震(10,11]。矿山地震的联合行动和高度集中的静态负载的工作面很容易引起煤壁屈服和冒顶,甚至诱发岩爆。困难和厚关键层分布在大多数矿区在中国,如淮北煤田、兖州煤田,大同煤田(12- - - - - -14]。例如,400 - 800米厚砾岩覆盖华丰煤矿已经异常支承压力和岩石破裂的时候。自1992年以来,发生了影响岩爆成千上万倍,最大震级高达2.9。岩爆的数量,导致工作面损伤达到108倍,迫使工作面为12次停止生产,导致43严重受伤,许多人死亡,导致巷道维护的无数次,有不利影响的社会效益和经济效益。有94.27米厚介质砂岩上91米第三层第二矿区煤Baodian煤矿。极厚介质砂岩是减少Machang断层停止线外的2310年,2311年和2312年工作的脸。在2310年、2311年和2312年工作面临开采出来,巨大的厚介质砂岩减少悬浮在一个大区域,处于动态平衡状态,和巨大的厚介质砂岩容易大面积运动。2004年9月6日,岩石破裂事故发生在没有。1进气口连接巷Baodian煤矿2310工作面,和密封坏了,造成两死6伤。据分析,造成的事故是矿山地震造成的巨大的厚介质砂岩的大面积运动的上部采空区。 The shock wave generated by the mining earthquake destroyed the closed wall, and the impact spread to the thrown closed bricks, resulting in casualties. The rockburst is serious under the condition of high-level huge thick conglomerate in Huafeng coal mine and Qianqiu Coal Mine. The rock burst and coal and gas outburst in Haizi coal mine and Yangliu Coal Mine are related to the fracture of high-level magmatic rock overburden. Through the above dynamic disaster analysis, it can be seen that when the working face is covered with hard thick rock stratum, the dynamic disaster caused by the breaking of hard thick rock stratum seriously threatens the safe and efficient production of coal mine. Therefore, people must pay great attention to the dynamic disaster caused by the breaking of hard and thick rock strata in the mining process of the working face.

目前,许多知名学者做了很多研究在矿山动力灾害的发生机理,厚关键层上覆岩层结构的变化特点,和应力演化的特点通过理论分析的方法,数值模拟和野外观测13,15- - - - - -20.]。他(21)和其他采用岩石运动的关键层理论,通过分析矿山压力达到最大关键层上覆岩层破碎时,这很容易导致我强烈地震和岩爆。江(10)和其他人用理论分析的方法推导出努力和厚关键层的裂缝计算方法和验证通过现场动态响应计算方法观察。胡(22)和其他人建立了一个类似的地质条件下开采的数值模型使用应用FLAC3D数值模拟和模拟和分析动态负载引起的灾害困难的原因及厚层。江等人使用应用FLAC3D数值模拟计算方法研究运动法,开采压力演化特征,上覆地层的能量分布特征在厚硬火成岩,地平线和火成岩的影响发生运动定律和厚度,上覆地层的应力分布和能量分布23]。吴等人把103上02年Baodian煤矿工作面为工程实例,研究了上覆厚硬砂岩的破坏法律造成工作面开采根据现场微震的测量数据,并解释了微震的数据之间的关系和岩石运动(24]。宁等人进行了微震监测现有的困难和厚覆盖岩层工作面,研究之间的关系努力和厚岩层的断裂和微震的数据通过使用微震的分布规律,并提出了预防和控制措施(25]。杨等人全面使用相似的材料测试、理论分析和数值模拟方法研究覆超厚关键层的变形和破坏和工作面支承压力的变化特征,分析了工作面的机制和表现方式的失败引起的岩爆超级厚关键层(26]。综上所述,现有的研究成果中扮演重要角色下矿山动力灾害的预测和预防坚硬厚层,但他们大多住在静载荷的阶段,忽略了动态负载效应的过程中煤炭开采后坚硬厚层都折断了。

在此基础上,针对困难的发生和厚厚的火成岩岩石上覆工作面,本文运用FLAC2D数值模拟软件,进行了数值模拟和分析的动态响应我的强大的矿山地震引起的破坏下的主要关键层高层岩浆岩,应力场的变化规律研究,位移场、速度场的煤层巷道在不同边界条件和不同焦高度。第二部分是数值模型的描述。第三部分研究边界条件巷道动态响应的影响规律。第四部分是焦点在巷道高度动态响应的影响。第五部分验证研究通过实地测量数据的正确性。本文的研究结果为安全、高效开采具有重要的指导意义在类似地质条件下工作面。

2。模型描述

2.1。一般的工程地质条件

的地质条件Yangliu煤矿10416工作面为工程背景,建立了数值计算模型。东北的工作面是固体煤炭矿区106年,西南是10414工作面采空区。保护煤柱保留一个5米的部分。倾斜工作面长度是180米,平均煤层的厚度是3.5米,平均倾斜角4°,埋藏深度是-570——610米。有两层的岩浆岩10416工作面上方,沿着屋顶侵入的5₂煤层和7₂分别煤层。岩浆岩的平均厚度煤层5的屋顶上₂31.5米,平均厚度煤层岩浆岩的屋顶7₂之间的平均距离是43.5米,岩浆岩在煤层的屋顶5₂煤层和岩浆岩屋顶7₂是116米。工作面的平面布局图所示1钻孔柱状图如图2(11]。

2.2。建立数值模型

本文建立了两个数值计算模型。模型大小、岩石成分和力学参数是相同的。当模拟开采工作面,工作面的力学边界条件是不同的。第一个模型是双方矿业固体煤面。第二个模型是一方的工作面开采固体煤和采空区的一侧。根据本文的研究内容,建立了两个相同的数值模型,模型大小 , ,模拟煤层的埋藏深度是600米,垂直均布荷载为10.75 MPa是应用模型的顶部。模型岩层的成分和力学参数表中可以看到1。

两个数值模型的计算过程分为5个步骤。步骤1:建立模型和初始化应力场。步骤2:挖掘两巷道工作面(模式1),和挖掘的一侧工作面采空区(模型2)。第三步:静态字段的平衡。步骤4:静态字段被清除的位移和速度。第五步:应用扰动负载和监测巷道围岩的力学响应。

2.3。数值模拟方案

四个位移监测分A、B、C和D排列的中点巷道顶部和地板上,双方的工作面(的工作面称为内在方面,和旁边的道路远离工作面称为外端),和1 #,2 #,3 #,4 #四个压力监视点排列2米外的位移监测点(如图3)监控应力场、位移场和速度场的变化规律和加速度。(1)工作面在开采过程中,强烈地震事件发生多次岩浆岩的底部。针对这一点,应用强扰动的底部岩浆岩石模型1和2离煤层(116米)和监测巷道围岩的动态响应规律(2)模型1和2,应用强扰动在50米,70米,90米以上煤层巷道围岩的动态响应规律分析在不同焦高度

强烈地震的距离以上工作的脸 ,转化为里氏震级 和振动能量 ,主导频率 。动态计算时间设置为1.0秒,和静态边界设置,采用瑞利阻尼。模型采用平面应变分析,采用莫尔库仑强度准则,计算与分析标准和采空区工作面巷道模拟空元素。模型的示意图(以模型2为例)如图4。

3所示。巷道的边界条件对动态响应的影响

3.1。固体煤工作面两侧

(1)巷道围岩的动态响应

图5反映了巷道围岩的动态响应特征条件下的焦点位于底部的岩浆岩和固体煤工作面两侧。从图可以看出5强烈地震的影响下,水平应力、垂直应力、和巷道围岩位移变化,但变化的敏感性有显著差异。

的压力、矿山地震应力的影响主要反映在屋顶的水平应力和垂直应力的内壁。0.11年代扰动后,垂直应力的内壁立即达到19.36 MPa,和内壁大幅压缩,然后降低到8.01 MPa。急剧增加的过程中,减少压力,能量迅速释放,很容易形成动态现象如岩爆和微弱的震动。0.38年代的干扰后,内壁的垂直应力峰值降低和9.3和15.4 MPa之间波动。外壁的应力变化趋势是一样的内壁。顶部和底部的垂直压力板在低水平,和压力水平基本上0.15 s扰动后会达到一个稳定状态。水平应力,当扰动0.15 s,顶板的水平应力达到最大值20.62 MPa。0.23秒后,水平应力大大降低和4.98和13.6 MPa之间波动。0.36秒后,水平应力的底板和双方基本上是稳定的。

在位移方面,双方的巷道的变形大于的屋顶和地板,和地板变形基本上是不受干扰的影响。上半部分,上部位移的增加线性扰动0 - 0.11年代的。0.38年代的干扰后,位移基本上是稳定的。最后,外的最大位移达到21.05毫米,和内部的位移达到27.28毫米。屋顶,位移波动在一个小范围内,这将导致屋顶振动。

变形速度而言,几乎没有区别的最大位移速度的两面巷道和屋顶,1.53 m / s的外端,1.54 m / s内,屋顶和1.33 m / s,分别和地板的最大位移速度只有0.19 m / s。变形加速度、位移加速度的双方有很大的不同,404毫米/秒²外的一面和887.07毫米/秒²内心的一面。屋顶和地板的变形加速度很小,261 m / s²屋顶和94 m / s²的地板上。

一般来说,双方的条件下固体煤,巷道的破坏程度的双方在强烈地震扰动大于的屋顶和地板,和内部的损伤程度大于外的一面。(2)空间演化特征的影响的失败道路由强烈地震造成的

为了更生动地显示了影响破坏强烈地震对巷道围岩的影响,这部电影的功能FLAC2D软件是用来记录巷道围岩应力场的演化特征细节根据一定的时间步,如图6。

从图可以看出6强烈地震扰动后,应力波迅速向下传播和球形的方式变弱。在传播过程中,应力波的辐射范围继续扩大。当 时间步骤,达到直接的煤层,然后内壁应力工作面巷道的显著增加。随着仿真的继续,巷道将明显变形。通过比较不同时间步长下的垂直应力分布特点,可以看出,压力传播以工作面中部为对称轴,并给出了一个对称分布的形状,和内心的压力水平的道路高于外的一面。

3.2。一边工作面采空区的脸

3.2.1之上。巷道围岩的动态响应

数据7和8反映巷道围岩的动态响应特征条件下,震源位于底部的岩浆岩和采空区工作面一侧。从图可以看出7围岩的力学响应规律的固体煤巷道工作面条件下的采空区一边是类似于固体煤巷道两边,只有轻微的差异值和稳定时间。当扰动0.15 s,屋顶的水平应力达到最大值21.52 MPa。0.5秒后,压力下降的变化范围,水平应力波动上下9到16 MPa左右。双方的水平应力状态和地板是我少受地震、和压力基本上0.4 s扰动后会达到一个稳定状态。顶部和底部的垂直压力板在低水平,这是基本稳定在0.4 s干扰。方法速度和加速度的进化规律通常是符合双方的固体煤条件。双方的方法基本上0.6 s扰动后会达到一个稳定状态。

从数据可以看出7和8侧向支承压力的双重影响下,扰动在采空区,gob-side巷道的动态响应程度显著高于固体煤巷道。

的应力、垂直应力的外端(23.2 MPa)高于内(12.34 MPa),但外一侧的垂直应力的变化相比还是相对温和的内部。强烈地震扰动过程中,巷道的屋顶的水平应力沿采空区一直处于高应力状态,和最大值达到55.28 MPa。屋顶的剪切破坏的概率明显加强。与固体煤巷道相比,gob-side巷道垂直应力和水平应力的波动,这是难以实现稳定。

位移,gob-side巷道的围岩收敛显著大于固体煤巷道,和双方的融合更加明显。外的稳定性上是贫穷和应力集中的程度高,导致外上游250.53毫米的最大的方法。内心上的位移也显著增加,达到139.58毫米。屋顶沉降达到91.81毫米。因此,强烈地震的影响下,一方屈服的风险,屋顶分离,或屈服巷道沿采空区显著增加。然而,所需的时间为双方达到稳定的位移是一样的固体煤巷道,两者都是0.6秒。

变形速度和加速度,内边的变形速度和加速度大于外的一面,和内部的最大变形速度、变形加速度方面达到2.43 m / s, 469.23 m / s²,分别。然而,当外一侧的速度大于1 m / s显著高于内在的一面,这样的最终变形外部边大于内部的边。与固体煤巷道相比,采空区侧巷道的顶板位移显示了一个持续增加的趋势,和屋顶不震惊。

根据gob-side巷道的动态响应特性和固体煤巷道,gob-side巷道的变形量和变形速度大于的固体煤巷道岩爆是更可能发生在采空区侧巷道的扰动下发生强烈地震。因此,有必要预测和判断岩浆岩的打破和迁移时间工作面在开采过程中,加强的支持强度巷道在破碎的地区。

4所示。空间演化特征的影响的失败道路由强烈地震造成的

图9反映了时间和空间演化特征下的巷道围岩应力场的强烈地震扰动。从图可以看出9源应用后,压力也在球形的方式迅速扩散,但应力波的衰减速度大于两边的固体煤采空区条件下,一边和应力波的扩散往往采空区侧。的共同作用下,采空区侧向支承压力和干扰,并对采空区围岩的稳定性比固体的煤炭,巷道的变形沿采空区侧增加迅速,而固体煤方面是相对较慢。

4.1。动态响应的比较分析巷道围岩在不同边界条件下强烈地震扰动

巷道围岩的动态响应特征在不同边界条件下相同的焦条件下表所示2。从表可以看出2相同的源扰动,围岩的动态响应是不同道路边界条件下明显不同,和失败的效果增加相邻采空区的数量的增加,特别是屋顶的水平应力和双方的水平位移。水平应力的屋顶,屋顶的峰值水平应力的条件下采空区两侧和采空区一侧的3.39和2.68倍屋顶的水平应力条件下的固体煤两侧,分别。屋顶的剪切不稳定支持很容易发生。因此,对于我的努力甚至极厚关键层工作面,应避免孤立的工作面。侧墙的位移、巷道的位移沿采空区的显著大于固体煤巷道。因此,对于巷道沿采空区,应加强侧壁的支持以防止侧壁的不稳定。在强烈地震扰动下,固体煤巷道的破坏效果很低,和强烈地震造成的风险是可控的。

5。地震高度关注道路动态响应的影响规律

岩浆岩与煤层的不同高度导致地震的震源高度的变化。为了研究地震的影响高度关注路面的动力响应,强烈地震扰动是应用于50米,70米和90米以上煤层,分别。

以一边为固体煤和另一边采空区工作面,震源的高度是50米作为一个例子,和巷道围岩的动态响应规律在强烈地震干扰进行了研究。图10反映了围岩的动态响应特性的固体煤巷道条件下,工作面开采出来的一面,当焦点高度为50米。从数据可以看出7和10相同的局部强度和边界条件下,焦高度是50米时,地震破坏效应比,当焦点高度是116米。巷道围岩的水平应力和巷道围岩的方法数量为例。

巷道顶板的水平应力大大增加,最大值为49.01 MPa, 2.27倍的条件下地震震源116米的高度。因此,屋顶的碎石失败几乎是不可避免的,围岩的力学环境急剧恶化。的最大位移外侧坡度和坡内达到47.37毫米和96.42毫米,分别。围岩的位移显著增强,很容易引起支持不稳定和严重的斜坡,屋顶的振动幅度也相应加强。

图11反映了围岩的动态响应特征gob-side巷道条件下采空区的一侧工作面时,震源高度为50米。从图可以看出11后焦高度降低,巷道沿采空区上的扰动的影响也大大加强。屋顶的最大水平应力达到63.11 MPa,和水平应力扰动期间基本上是33 MPa以上。屋顶,地板的运动,双方也在一个较高的水平。屋顶的最大运动是176毫米,内边是256.41毫米的运动,运动的外端为471.88毫米,1.9倍的外侧沿巷道的运动时,震源高度是116米。

总之,当焦点高度为50米,gob-side道路更强烈的振动效应,和gob-side道路变成了岩爆的预防重点在打破和移民的艰苦和厚关键层。屋顶的支持力量,双方应该增加减少的风险的影响。

为了更好地反映地震高度关注道路动态响应的影响,巷道围岩动态响应的变化特征在不同焦高度,如表所示3和4。从表可以看出3和4相同条件下的地震震源强度,当焦点116煤层上方,巷道围岩的振动影响相对较小。焦高度降低,巷道围岩的破坏程度增加,围岩的稳定性变得更糟。

以一边采空区条件为例,地震的影响高度关注巷道围岩的稳定性进行了分析。从表可以看出4震源的连续降低高度,干扰强烈地震对巷道的影响持续加强,但在加强率有显著差异。当焦点高度从116减少到90,屋顶的水平应力,位移的边和屋顶,即将到来的速度,和即将到来的加速度开始增加,但增量很小。当地震震源的高度从90减少到50 m,增量增加迅速接近线性的方式。采用水平方法的外墙巷道沿采空区为例,当震源高度从116减少到90,仅33.12毫米的方法增加,而当震源高度从90减少到50米,188.23毫米的方法增加。此外,不同的道路边界条件,焦高度对巷道的影响程度也不同。水平应力的影响程度的固体煤巷道屋顶远远大于采空区的道路。不管边界条件,巷道坡度的垂直应力影响较小的局部高度。

总之,发生强烈地震时在较低的位置,巷道的动态响应程度远远大于在更高的位置,和采空区的影响程度大于固体煤的一面。此外,当地震震源的高度是一样的,强烈地震的影响程度在不同边界条件下巷道围岩的稳定性也明显不同。基本上,影响程度可以安排如下:gob-side巷道一侧(开采)>固体煤巷道两边(开采)>固体煤巷道一侧(开采)。采空区侧的强烈地震往往在传输过程中,导致了能源的固体煤炭采空区条件下巷道一侧低于双方在固态条件下,产生的动态响应的固体煤采空区条件下巷道一侧是弱于双方的固体煤条件下。结合巷道应力水平动态负载扰动之前,高静态负载条件下,巷道围岩的稳定性更明显受到动载荷的影响。静态负载级别就越大,围岩的稳定性,也就是说,静态负载级别越高,动态负载的耦合效应越明显。

6。结论

FLAC2D软件的使用动态计算函数,本文分析了巷道围岩的动态响应时强烈地震扰动下覆盖着坚硬厚关键层,研究巷道的影响边界条件下围岩的动力响应强烈地震扰动和地震的影响高度关注巷道破坏程度的影响,模拟和再现了巷道变性损伤的动态演化过程。主要结论如下:(1)强烈地震的影响下,gob-side巷道的应力水平是高于固体煤巷道,特别是屋顶的水平应力,容易导致顶板支护的不稳定性。外的压力水平的gob-side巷道高于内。的采空区煤柱高应力状态,煤柱是容易失去稳定性(2)强烈地震的影响下,固体煤巷道的屋顶容易在一个小范围内,振动和位移的增加和减少干扰。地板的位移和双方的固体煤巷道和顶层的两面巷道沿采空区继续增加扰动的初始阶段,和位移将与扰动的持续保持稳定。双方的位移和屋顶和地板gob-side道路可以达到稳定的后期的干扰,并与相邻采空区的数量的增加,时间越长对围岩位移达到稳定(3)有密切相关性震源的高度和巷道围岩的动态响应。应力场的大小、位移场、速度场、加速度场的巷道围岩与震源高度负相关。当震源高度低于90米,围岩的变化反应急剧增加的减少地震震源的高度。在低岩层发生强烈地震时,巷道围岩破坏的影响几乎是不可避免的(4)强烈地震的影响程度对巷道围岩稳定性的安排如下:gob-side巷道一侧(开采)>固体煤巷道两边(开采)>固体煤巷道一侧(开采)。根据围岩的动态响应程度在不同边界条件下,强烈地震前静载荷水平干扰越大,动载荷的耦合效应越明显(5)巷道的空间演化影响强烈地震造成的失败表明,工作面边界条件有重要影响的能量传播我的地震。当有固体煤工作面两侧,基本上的能量传播的两车道工作面对称。当一方的工作面开采出来,能量转移是偏向一侧的采空区。进化过程也表明,与相邻采空区的数量的增加,矿井地震传播能量的衰减速度越快

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相关的出版。

确认

这项研究由山东省自然基金资助(批准号山东省ZR2020QE121),博士后创新项目(批准号202003090),中国博士后科学基金(批准号2020 m682267),工程深矿井岩爆灾害评估实验室开放项目(LMYK002)和济宁关键研究和发展计划(批准号2020 jnzc002)。