文摘

本研究关注的问题,随着煤层开采深度的增加,很难不断取代采矿由于复杂的巷道布局和不合理的采场布局。通过62210年的采矿地质条件完全面对Xinzhuangzi煤矿机械化开采在淮南矿区,中国为背景,探讨了原巷道充填体的应力特点以及巷道围岩的应力分布和变形特征在原巷道充填和nonpillar隧道(ORFNPT)通过理论分析和数值模拟。下面的结果。所需的充填体的强度主要是由两个因素决定,即。,the span of the hanging roof that lies over the filling body and the width of the filling body. The span of the hanging roof is positively correlated with the required strength of the filling body. However, when the width of the filling body reaches a certain value, its further increase fails to change the required strength of the filling body. Compared with gob-side entry driving with small coal pillars, when the ORFNPT technology is applied to the lower-section roadway, the peak stress position in the solid coal on the lower side of the roadway is closer to the roadway sides, and the filling body is of a much higher stress than the small coal pillars. Besides, the roadway surrounding rock undergoes milder deformation. According to the on-site application and measurement data, the roof-to-floor convergence and side-to-side displacement amounts of the roadway are about 89 mm and 58 mm during tunneling of the 62310 working face, and the two amounts are about 910 and 1,290 mm during recovery of the 62310 working face, respectively. This tunneling method achieves an excellent roadway control effect.

1。介绍

在中国经济快速发展,煤炭开采深度逐年增加,中国东部和采矿地区先后进入深部开采阶段(1,2]。在深部开采巷道围岩受复杂应力等领域制高点压力和强化开采,导致巷道的维护困难,从而阻碍连续开采的采场3,4]。老矿区,采场替换面临着更多的困难引起的开采深度的增加,矿井巷道的复杂的布局,和采场的不合理布局5]。此外,保留各种煤柱在煤矿不仅明显影响了煤炭回收率,也导致大量浪费资源。

目前,常用的部分巷道保护方法主要可以分为两类:gob-side条目驾驶小煤柱(GSEDSCP) [6,7)和gob-side条目保留(gs) [8,9]。前者往往导致应力集中在底层的煤层,这可能诱发地质灾害(如大变形、岩爆和煤与瓦斯突出)在gob-side巷道的围岩潜在煤层复苏(10]。后者由采矿影响隧道一次,两次,一般来说,道路是勉强运行的第二次使用时由于快速和围岩变形严重11]。为了确保巷道的稳定性在深层煤炭复苏,学者们重视研究支持充填体的强度和变形应力特点近年来在gs。香港et al。12推导出一个计算公式roadway-side支持的宽度。Qi et al。13和黄等。14]研究了轴承的特点和支持地下充填体的强度工作面和分析的技术难点和重点建设固体充填开采的支持。Khaldoun et al。15]研究了巷道顶板岩层的运动过程和变形特征在深矿井,确定设计原则的支架阻力填满身体,并建立了一个数学模型支持抵抗和充填体的压缩。陈等人。16,17巷道屋顶分为三种典型类型,即厚立即屋顶,薄直接顶,没有屋顶。除此之外,他们获得的公式计算gob-side巷道支架阻力的上述三种类型的连续层模型和考虑轴承效应叠加的煤炭保留道路两侧和诱导因素屋顶倒塌。程等。18]分析了充填体的宽度和材料特性的影响在机械化放顶煤巷道的围岩稳定性基于等巷道围岩控制的关键技术,提出措施来提高充填体的抗变形能力。冯和张郭et al。19,20.)简化了深煤层顶板为矩形“叠加层”没有层间结合力,分析了巷道顶板活动规律在不同时期,建立了一个力学模型之间关系的巷道围岩和支持”的帮助下弹塑性力学理论,并获得一个公式来计算支持抵抗。香港et al。21]分析了巷道围岩变形影响因素在机械化放顶煤的脸上,之间的相互作用机理进行了深入分析,围岩及充填体和支架阻力的计算公式得到填充体,为现场应用提供了理论依据工作面巷道。为了解决上隅角瓦斯积聚的问题汽油矿山、马et al。22,23)提出了二级公路技术,建立了一个力学模型关键块的结束,和理论公式计算获得支持阻力和充填体的宽度。孟等人,莫等。24,25]提出了巷道技术“在道路两侧混凝土填充+ anchor-net-cable联合支护的巷道+锚索加固巷道两侧”活动法律和变形特点的基础上在深矿井巷道顶板岩层。此外,他们分析了屋顶屋顶分离和变形之间的关系,获得了屋顶的临界值分离。朱et al。26)建立了一个力学模型关键块的和直接的屋顶和分析机制之间的相互作用的关键块和巷道围岩。结果表明,充填体的宽度有一个很大的影响在gob-side巷道的稳定性。太阳et al。27]研究了综采放顶煤变形特性道路通过相似模拟试验,得出了充填体应该有一定的强度和抗变形能力。Seryakov [28]分析了巷道围岩的变形与应力分布特点,提出了一个设计原则深巷道充填通过现场矿压监测数据分析的支持。总之,以往的研究都集中在充填体的承载特点gs以及充填体与围岩之间的相互作用。建立充填体可以有效地改善整个巷道围岩的应力状态和提供更多的支持在巷道围岩屋顶。研究结果为应用程序作为重要的参考复苏道路隧道的新方法,即。,原巷道充填和nonpillar隧道(ORFNPT)技术。

在这项研究中,原始的机械模型巷道充填的影响下屋顶结构建立了基于屋顶层断裂的基本法律和关键层理论。接下来,围岩的应力分布和变形特征,分析了ORFNPT理论上和数值。最后,进行了现场应用Xinzhuangzi煤矿62210工作面。

2。地质概况

Xinzhuangzi煤矿位于淮南的西部城市,中国,在东脚Bagong山。该矿场从北边的淮河延伸至它的南面。煤矿62210综采工作面,其海拔从-660米到-770米不等,平均长度为1285米,平均下降194米的长度,和一个面积249290 m²。平均煤层厚度1.0米,和煤层倾角在于21°-30°的范围,平均25°。相应的上覆B11和B8煤层尚未开采。眼前的屋顶属于砂质泥岩厚度的2 m,这是一个脆弱的深灰色薄层。主要的屋顶是细砂岩的厚度0 - 6米。眼前的地板是细砂岩厚度的1 - 3.5米,这是一个脆弱的灰色厚层。主层属于泥岩厚度的1 - 4 m。工作面地质概况的原理图如图1。

3所示。受力分析在ORFNPT充填体

3.1。力计算原巷道充填的充填体

充填体的支架阻力gob-side巷道通常与叠加计算连续层之间的分离和位错模型,认为层。在模型中,每一层可以被视为一个独立的连续层状结构,层由分布式负载相连,所以这个模型是忠实于地层的实际情况发生(29日]。此外,机械结构模型,建立了充填体的支持和屋顶,参照《基本法》的屋顶层断裂和关键层理论30.]。充填体的支架阻力原巷道通过块机械平衡方法进行了研究。图2(一个)与四方支持,屋顶结构模型和图吗2 (b)是一个三面,一边自由的支持。在第一次加权,屋顶完全机械化开采的脸属于模型有四个方面的支持。是屋顶的均匀分布载荷;ABCD表面负载后除带只集中于部分AB和CD,和支架阻力 。

所需的充填体强度的计算是从过去的上覆地层的地层。根据图2(一个)所需的强度,充填体在一个上覆地层计算如下: 在哪里充填体的宽度(米),张成的空间是直接挂在屋顶上方的充填体(m),煤层倾角,所产生的剪切力向下骨折块的岩石裂缝,然后呢 。

在工作面周期性加权屋顶,屋顶属于屋顶结构模型与三面,一边自由的支持。上述两个模型,一个板条单元宽度和大负荷gob-side巷道作为计算单元(数据3(一个)和3 (b))。 在哪里 。然后,被替换的表达 : 在哪里是最终的弯矩地层(kN·米),是地层的弯矩(kN·米),是向下剪切力产生的岩石断裂块(kN),是屋顶切割的力量(MPa),岩石质量浓度(MPa),是第一层的体积密度高于填充体,第一层的深度高于充填体(m),然后呢是第一层的断裂特征尺寸(m)。

在第二个地层断裂,需要填充的对象 ,和机械分析充填体的应力状态如下:

充填体的优势在一层或两层上覆地层是通过机械分析第一和第二层次的上覆地层充填的身体。同样,所需的强度充填体的断裂- - - - - -th地层充填体上方可以获得如下:

的 - - - - - -th层屋顶: 在哪里是终极弯矩下的断裂- - - - - -th地层(kN·米),顶板岩层的断裂角,所产生的剪切力下骨折块上覆地层(kN)。

它可以看到从方程(5),在特定的地质条件下工作面,所需的强度( )成反比的充填体的充填体的宽度( ),和充填体的宽度越大,所需的强度越低。此外,所需的充填体强度正比于挂屋顶(张成的空间 )在充填体谎言。大跨度屋顶需要更高的要求充填体强度。当围岩与支护结构共同形成一个稳定的支承轴承系统,充填体能够支持上覆地层的负载,从而减少充填体上的负载。

3.2。工程实例计算

的地质条件的煤矿62210工作面Xinzhuangzi淮南矿区为背景,原巷道充填体的应力特征计算宽度下1米,2米,3米,5米,分别和7米。

根据现场调查,62210工作面直接顶是砂质泥岩厚度为6米。具体参数如下:体积密度( )是25100,地层和裂缝角度是25°(现场测量)。在限制条件下,地层的终极弯矩是等于地层的弯矩,即, 。充填体的工作阻力可以通过方程计算(4)在不同宽度的充填体。图4显示了充填体的宽度之间的关系,所需的强度。

图4揭示了以下现象:随着充填体的宽度增加从1米到2米,所需的强度在高速率急剧暴跌。从2米到3米,所需的力量继续下降速度高。从3米到7米,所需的强度对应于一个低递减率。充填体的宽度中发挥着重要作用所需的强度。考虑到技术和经济效益,合理的原始宽度在62210工作面巷道充填是3米。因此,充填材料和充填过程可以选择根据所需的强度。

4所示。研究稳定复苏的道路

4.1。隧道B10煤炭复苏道路的方法

B10煤层,作为关键保护Xinzhuangzi煤矿的煤层开采的目的是缓解压力,保护煤层上覆B11、底层B8煤层。因此,在采矿过程中,保留大煤柱巷道保护应该最小化,以避免应力集中的影响在底层的煤层。一般来说,道路布局通常采用GSEDSCP或gs。GSEDSCP减少煤柱的宽度,但它仍然引起应力集中,底层的煤层。gs不涉及保留煤柱,但保留了巷道是勉强运行的第二次使用时因为它遭受了隧穿一两次和矿业的干扰。现场实践也证明了围岩的稳定性差和高维护成本当gs方法应用于巷道布局。因此,根据矿井生产地质条件,ORFNPT技术提出了在这里安排在采场道路。

4.2。数值分析

分析围岩的稳定性特点在ORFNPT和解决实际问题,建立了计算模型通过大型有限差分软件FLAC3D软件以62210工作面为背景。列出了模型的一些参数如下:罢工长度320米,底长230米,高248米,平均煤层厚度1 m。模型的四个侧面和底部是固定的。此外,13.8 MPa垂直应力应用于模型模拟的顶部覆层的质量,和侧压力系数为1.0。煤岩的力学参数表1。

模型的四条边只有一个水平位移边界,和地板是一个固定的边界。模拟煤层的埋深范围从-660米到-770米,和一个均匀分布荷载应用于边界模型的顶部。巷道围岩的本构关系,针对摩尔-库仑准则修改的。数值模拟包括两个部分:(1)垂直巷道围岩的应力分布特征ORFNPT GSEDSCP和(2)巷道围岩的变形和位移特征ORFNPT GSEDSCP。

仿真是利用单因素分析进行的。ORFNPT,充填体的宽度和强度是3 m和6.6 MPa,分别。对gs,煤柱的宽度是7米。

4.2.1。准备巷道围岩的应力分布规律下部隧道

巷道围岩的应力状态是评价巷道稳定性的一个重要指标,然而,煤岩的应力特征的巷道保护gob-side巷道更保留gob-side巷道的成功的关键。因此,数值模拟是进行上述两个隧道的方法。给出了应力分布云图的人物5和6,压力变化曲线显示在图中7。它可以知道在相同地质条件下,不同的施工方法,分布特征的巷道围岩开挖巷道明显不同。ORFNPT,峰值应力的固体煤侧位于煤约3米的位置;峰值应力约为41.5 MPa;应力集中系数约为1.74,充填体的应力约为21 MPa。GSEDSCP,固体煤的应力峰值较低的一侧的巷道煤约4.25米;压力峰值约为43.2 MPa;和应力集中系数是1.82。除此之外,应力集中核心(范围约1米和压力峰值约17.2 MPa)存在于小煤柱。与GSEDSCP相比,ORFNPT可以更有效地保护公路隧道在较低的部分。 Its peak stress of the solid coal on the lower side of the roadway is closer to the roadway sides, and the stress of the filling body is much higher than that of the small coal pillar, indicating that the filling body can support the overlying roof better and can bear more load from the overlying strata.

4.2.2。巷道围岩的变形和位移分布下部隧道

巷道围岩位移变化的两个隧道的监控(图的方法8)。对于ORFNPT,屋顶的最大位移是0.63 m;地板的最大胀约0.35米;和水平位移在固体煤方面大约是0.51米。GSEDSCP,屋顶的最大位移约1.21米;地板的最大胀约0.48米;和最大水平位移在固体煤方面大约是1.22米。

比较图7表明,巷道围岩的应力场和位移场在不同的充填体强度不同。根据充填体的强度高,压力是更有可能集中在充填体和不太可能集中在巷道围岩。因此,roof-to-floor收敛将小,围岩的破坏将会很清楚。这些数据表明,ORFNPT比GSEDSCP温和的巷道围岩的变形,从而更有利于维护和下部巷道的稳定性。

5。工程应用和效果

5.1。巷道支架的设计参数(31日]

62310年返回气道,没有保留煤柱,是一个新开挖巷道充填体上部分。考虑巷道断面和煤层倾角的影响,62310年返回的部分气道设计成一个倾斜矩形剖面。这样的设计可以有效地避免屋顶上部和下部的不稳定巷道夹紧。具体设计给出图的支持9。(1)倾斜的屋顶高强度左撇子特殊异型钢螺栓没有纵向钢筋( ),每一行和7螺栓间距 。第一个螺栓偏高的斜屋顶被安排在30°屋顶的法线方向;相邻螺栓被安排在20°屋顶的法线方向;和其他螺栓排列垂直于斜屋顶。三个Z2560新长篇树脂锚固剂用于全长锚固。锚电报被高强度低松弛预应力钢链(ϕ22毫米, 股);长度是6500毫米;群锚被7-0-7和间距排列 。第一个锚索屋顶的高压侧附近安排在30°屋顶的法线方向;邻锚索被安排在20°屋顶的法线方向;其他锚电缆排列垂直于屋顶,和锚电缆安装在w4 - 280钢带和与螺栓交错。4900毫米长w4 - 280钢带被用于屋顶保护(2)高强度左撇子特殊异型钢螺栓没有纵向钢筋( )被用在。六个锚用于高压侧,间距 。楼附近的锚被安排在30°水平方向;其他螺栓设置垂直于道路两侧。三个螺栓用于偏低,间距 。螺栓接近地板和屋顶都被安排到30°水平方向。w4 - 280钢带被用于屋顶保护。偏低的长度是1800毫米,高边是由两条,一个是1800毫米长,另一个是2250毫米长。强化支持应用到高压侧在以下方式:两个空心注浆锚(ϕ22毫米,长度3300毫米)被安排在每两行锚(安排模式2-0-2)。楼附近的锚索与水平方向向下安排30°,另安排了锚索的螺栓3和螺栓4

5.2。表面变形的62310返回气道

进一步探索ORFNPT技术的应用效果的采矿过程B10 Xinzhuangzi煤矿的煤层,roof-to-floor 62310返回气道的收敛性和侧向位移监测不断在隧道和复苏。根据监测结果,在隧道沿原巷道充填体在上层部分,道路逐渐稳定在约27米的位置开挖工作面。Roof-to-floor收敛(约89毫米)大于左右位移(约58毫米),如图10。现场应用效果如图11。在复苏的62310工作面,roof-to-floor收敛和侧向位移的返回气道开始不断增加约100工作面,和巷道围岩的变形速率达到最大值约为40米远离工作面。roof-to-floor收敛的速度和侧向位移返回气道29毫米/ d和50毫米/ d,分别为(数字12和13),他们的最大数量约为910毫米和1290毫米,分别(由于巷道的连续变形,地板卧底和腌的道路。复苏巷道的变形包括巷道修复的数量,在地上使劲敲入量约为500 - 600毫米和组合板数量约为300 - 400毫米)。显然,完整的围岩位移率和大量的62310年返回气道满足要求煤矿巷道的稳定控制,表明ORFNPT技术对采场巷道布局满足安全需求挖掘和实现连续更换采场煤柱。

6。结论

连续采矿更换困难引起的复杂的道路和布局不合理的采场布局是一个重要的问题,困扰煤矿。针对解决这个问题,本研究分析了应力特性和设计参数基于原巷道充填体的理论研究gob-side巷道,巷道围岩的稳定性验证ORFNPT通过数值模拟和现场监测巷道围岩变形。主要结论如下:(1)采用叠加连续层理论建立原巷道充填体的应力模型和获得的工作阻力的表达原巷道充填体。所需的充填体的强度主要是由两个因素决定,即。,the span of the hanging roof that lies over the filling body and the width of the filling body. The span of the hanging roof is positively correlated with the required strength of the filling body. However, when the width of the filling body reaches a certain value, its further increase fails to change the required strength of the filling body(2)有限元计算软件FLAC3D软件被用于比较分析在ORFNPT和GSEDSCP巷道的稳定性。围岩的应力分布特征的道路显然是不同的。ORFNPT应用于下部巷道时,峰值应力的位置在固体煤巷道的较低的一侧靠近道路,和充填体的应力远高于小煤柱。此外,巷道围岩经历温和变形,巷道挖掘在较低的部分更稳定(3)62210运输巷道Xinzhuangzi煤矿属于直墙半圆的部分,62310年返回气道采用一个斜屋顶梯形截面。使用空心注浆锚索加强支持更高的一侧的道路。通过这种方式,在ORFNPT控制围岩变形。根据现场监测数据,巷道围岩变形在62310年返回气道控制在隧道和复苏

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在手稿中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(52104117,52104117,52104117,51874006,51774009);安徽省自然科学基金(2008085 qe226);科学研究基金会的安徽省的高等教育机构,中国(KJ2021A0969);和学校科研水平和创新团队淮南师范大学(XJTD202009)。