下的条目布局方法协同支承压力和动态应力的影响

文摘

在地下采矿工程中,岩石在条目总是受到大塑性变形灾害,如支持身体衰竭、顶板岩石崩溃,甚至岩爆下支承压力和动态应力。改善这些岩石的稳定性,入口布置在支承压力和动态应力(兰德)方法提出了保护条目从高支承压力和动态应力。动态扰动强度(DDI)被确定为兰德的关键评价指标,这是分为“稍微干扰类型,”“中度干扰类型,”和“暴力影响类型”的动态扰动阈值(DDT)和动态阈值(DLT)有限变形。建立了伺服计算算法应用到动态和静态用FLAC数值分析模型^{3 d500}软件DDT和DLT方法的解决零增长DDI塑料失败区和engineering-permitted限制变形。这个模型验证通过比较位移测量结果的条目。模型验证结果条目应该远离暴力影响的动态应力类型首先然后被安排在动态应力的区域属于轻微扰动类型。DDT增加线性和DLT减少与幂函数作为支承压力的增加。兰德是可靠的方法来保护这种地下入口及其适用性将改善支架阻力通过比较结果从兰德与广泛使用的野外调查方法的讨论。以来的分析过程可以是可重复的和必要的岩石和煤在地质和工程条件下材料可能不同。

1。介绍

地下空间已经成为近年来广泛使用的资源在社会发展中,它将为人类文明提供安全在未来很长一段时间(1- - - - - -3]。条目的一个地下空间主要提供了辅助运输和通风功能在地下长壁开采工程尾条目如图1。其稳定性一直是由加载压力、力学行为,支持抵抗。影响动态扰动和支承压力,压力会改变到另一个国家在入口附近的岩石4]。该条目将遭受大变形灾害,如支持身体衰竭、顶板岩石崩溃,甚至岩爆的干扰和压力足够大时,这威胁到采矿工程的正常运行(5]。特定的地质条件,减少加载压力已成为一种流行的方式来保护这个条目从大变形灾害长壁采煤工程(6]。

加载应力主要由原始压力,支承压力和动态压力(7- - - - - -9]。支承压力的加载效应上覆岩层岩石的体重高于固有的地区周围的岩石固有的区域,这经常导致岩石中的应力的增加10]。振动应力波的动态压力是来自于破裂的岩石,岩石屈服的影响,爆破振动,振动的机器,和其他身体运动,总是改变岩石的应变率(11]。这种岩石的力学行为分为蠕变,静态、动态薄弱、动态、和强大的动态应变率(12]。岩石的强度会增加一定的增加应变率时,应变率属于动态和强劲的动力。不同,它保持稳定或随应变速率的增加而缓慢增加,当应变率属于静态或动态疲软。条目将受到拉伸和剪切断裂脆性岩石,它将产生大的塑性变形在软岩耦合动加载过程中13- - - - - -16]。现有的成就,主要是有关浅埋土木工程(17- - - - - -21)和地下金属采矿工程(22- - - - - -26),提供了宝贵的指导分析的大变形行为进入地下煤炭开采工程(27- - - - - -31日]。发现周围岩石的力学行为条目的协同作用下支承压力和动态应力的减少有利于大变形。

加载减压方法可分为四种广泛使用的类型,包括固体回填技术,减少屋顶技术,减压井眼技术,和入口布局技术(32]。固体回填技术能够防止屋顶运动集中,避免支承压力和动态扰动的生成(33- - - - - -35]。但是,昂贵的物质消费使固体回填技术应用本品表面在矿业领域有建筑,水源,和铁路。减少屋顶技术擅长减少支承压力通过改变屋顶的承重结构(36- - - - - -41]。然而,重塑的影响结构的运动上没有考虑屋顶结构,屋顶和切割技术是工作空间限制,技术缺陷和成本。减压井技术有能力转移的支承压力区钻孔到区没有钻孔(42- - - - - -45]。然而,这种井眼岩石的力学行为变化,总是在减少使岩石强度,它是相当难以确定一个合理的钻孔参数。相对,条目布局技术优势避免高压力,降低成本,并增加资源的恢复,这是最受欢迎的方法在煤矿工程(46- - - - - -48]。著名的[威尔逊的方程49和极限平衡理论50,51可以防止条目支承压力但忽略动态扰动的影响。需要找到一种新的方法来设计入口的位置在支承压力和动态干扰。

在这项工作中,兰德方法提出了设计入口的位置。建立了评价指标确定和判断标准兰德。之后,建立数值分析模型与伺服算法计算和验证解决评价指标。兰德方法的结果与几种广泛应用方法的结果。这种比较表明,兰德方法有三个优点。此外,现场调查讨论还证实,兰德的方法是可靠的设计入口的位置。

2。法兰德

应力波的振幅被证明是条目的意义影响因素变形与波频率和动态时间(52]。动态扰动强度(DDI)索引作用在兰德的方法分析压力的变化,提出了位移和塑性区周围岩石的应力波的影响下的条目。例如,DDI的压力可以通过压力的比值计算应力波扰动下的压力不压力波扰动点的岩石。使用相同的方法,DDI的位移,DDI塑料失败区,DDI的裂纹。

塑性变形起主要作用在弹塑性变形的岩石在应力波和支承压力下的条目53]。动态扰动阈值(DDT)提出了防止岩石附加塑性变形(adp)的方法可以计算零增长DDI整形失败的区域。这种方法的优点是限制扩张的塑性区周围岩石的应力波下的条目,这使得DDI的塑料带= 1失败。DDT等于应力波的振幅。

地下采矿工程被允许进入较浅的大变形隧道工程(18),因为它使用寿命短(53]。这地下入口很容易受大变形灾害(LDD)如冒顶,肋骨屈服,和岩石破裂变形时足够大。动态阈值有限变形(DLT)提出了防止岩石LDD,可以计算engineering-permitted限制变形的方法。这种方法的优点是使变形是在限制范围内的条目下应力波是允许的工程。此外,DLT等于应力波的振幅。

DDT和DLT将改变静态应力变化从原始应力支承压力。特定的应力状态,DDI可分为“稍微干扰类型,”“中度干扰类型,”和“暴力影响类型”根据滴滴涕和DLT的值。动态应力略扰动类型决定的动态应力小于DDT,暴力的类型确定动态应力的影响超过DLT,和适度的干扰类型确定滴滴涕和DLT之间的动态应力。

地下条目应该远离暴力影响的动态应力类型首先然后被安排在动态应力的区域属于轻微扰动类型。通过符号描述条目应该远离欧元区的结果R(x)≥L(x)首先,然后被安排在欧元区的结果R(x)≤D(x),R(x)是潜在应力波的分布,MPa;D(x)是DDT的支承压力的分布函数f(x),MPa;L(x)是DLT的支承压力的分布函数f(x),MPa;和x是位置远离采空区的一边,米。给出了详细的解决方案,如图2。

3所示。数值模拟模型

3.1。模型建立

3.1.1。材料的本构行为

煤和岩石材料很容易受到弹性和塑性变形实验载荷作用下测试(图3用位移加载)年代_e(方程(1))。Mohr-Coulomb模型能够模拟岩石材料的弹性变形行为近似地(54),但它不适合模拟煤岩材料的应变软化行为。强度参数的衰减,应变软化模型具有良好的协议与煤的塑性变形材料(图3(一个))。煤和岩石材料的力学参数如表所示1的衰减规律,凝聚力参数如表所示2。位移加载年代_σ的描述方程(1)。

本构模型是所有接受FLAC的动态分析^{3 d},因为完全基于显式有限差分格式的非线性分析方法用于解决完整的运动方程,利用集总网格点质量来源于真正的FLAC的周围区域密度^{3 d}(55]。确定应变软化模型来模拟煤岩材料的动态响应针对摩尔-库仑模型,用于模拟岩石材料的动态响应。煤样例,其动态应变行为是如图4。

的煤样单轴压缩应力3.69 MPa(大约25%的单轴抗压强度)有足够的能力承担时应力波压缩剪切应力波的振幅小于22.15 MPa。应力波在22.15 MPa,使煤样弹性振动,振动振幅的煤样随压缩剪切应力波的振幅的增加。应力和应变可以返回到原始值由于压力增加线性,然后减少线性应变变化沿着原路。然而,应力和垂直应变不能回到原点状态时应力波的振幅大于22.15 MPa。煤样变形行为的变化从小型弹性状态到大型塑料状态。

同时,这个煤样品,与单轴压缩应力3.69 MPa(大约25%的单轴抗压强度),有足够的能力承担时应力波拉应力波的振幅小于9.78 MPa。应力波在9.78 MPa,使煤样弹性振动的振动振幅煤样随拉伸应力波的振幅的增加。应力和应变可以返回到原始值由于压力增加线性,然后减少线性应变变化沿着原路。当拉伸应力波的振幅达到7.38 MPa,从压缩变形行为改变拉伸状态。然而,应力和应变不能回到原点状态时应力波的振幅大于9.78 MPa。煤样变形行为的变化从小型弹性状态到大型塑料状态。

的局限性震支座应力波振幅降低线性和拉伸应力波的限制增加线性增加的静态应力加载子模型,煤岩材料的破坏机制。平均应变率是4.5⁻¹0.1秒之间⁻¹和10年代⁻¹属于弱动力学(12]。因此,应变速率的影响没有考虑煤岩材料的强度数值模型。

3.1.2。静态模型计算

建立了一个三维数值模型几何尺寸是65×65×65xy和z轴向方向FLAC^{3 d}软件(55]。根据统一的区域维度和数值模型(时间的解决方案56沿着两个),网格的大小x方向和y方向确定为每个岩层为1米。那些在z方向确定为0.94米,0.95米,0.97米,0.93米,0.96米,1.0米,1.0米,1.0米,分别为8从底部岩层(砂岩)(泥岩)(图1 (c))。左边,右边,前面,后面,和底部的模型固定在沿着法线方向位移。模型的板面满载着统一的垂直压力模拟支承压力。支承应力模型中初始化后,一个维度的条目5×4米开发中心的数值模型。计算的数值模型进行了模拟入口压力拱座的变形行为,直到最大不平衡力小于10⁻⁵n .原位垂直应力、最大水平主应力和最小水平主应力是15.0 MPa, 14.73 MPa和8.53 MPa (57]。水平最大主应力的方向N43.7°W已一个角46.3°,入口的方向开车。水平原则强调决议必须建立地质压力场进行数值模拟模型中条件(58]。输入最大水平原则应力计算为16.54 MPa垂直于轴向的条目驾驶和输入最小水平应力计算为16.34 MPa对原则的轴向方向进入驾驶。

3.1.3。模型的动态计算

每个区边缘的长度1米小于十的波长,而同意数值模型的计算要求。静态粘性边界条件被用来提高计算效率,减少反射的影响动态数学模型的计算过程。瑞利阻尼被用来模拟煤材料之间的摩擦行为。通过数值模拟,确定最小临界阻尼比为0.005,最低中心频率确定模型的自然振动频率3.8赫兹。动态时间被确定为0.4秒供应足够的时间为每个区域的平衡模型。余弦剪切应力波应用于表面的模型来模拟所示的动态应力方程(2)。确定动态应力的有效时间是0.02秒 在哪里D_σ剪切应力波,MPa;f振动频率,赫兹;t是动态的时间计算,年代;和σ_一个剪切应力波的振幅,MPa。

3.1.4。数值模型的验证

位移确定分析指标来验证数值模型组成的岩石材料莫尔-库仑模型和煤岩材料的应变软化模型条目的发展。测量的位移钢统治者进行了在开发的条目。位移迅速增加,然后达到一个相对稳定的值,如图5。使用数值模型模拟结果与测量结果显示伟大的协议,这表明该数值模型可以用于分析的位移在这种地质条件下条目。

3.2。模拟计划

首先,模拟5例决心调查入口条件下的动态响应的峰值应力支承压力(35 MPa),最初的垂直压力(15 MPa),及其日中值(25 MPa)在该领域如表所示3。动态压力σ_一个确定分析DDI, 0 MPa和20 MPa之间的不同。第二,DDT的演进和DLT解决静态压力变化从15 MPa 35 MPa根据动态阈值算法如图6。第三,DDI分为三个强度等级包括“稍微干扰类型,”“中度干扰类型,”和“暴力影响类型,”据滴滴涕和DLT的值。最后,L(x),D(x)确定布局的入口条件下支承压力f(x)和潜在的动态应力R(x)。

3.3。结果

3.3.1。DDI的进化

DDI呈现增加趋势的增加应力波振幅。例如,DDI塑料失败区和位移的增加越来越梯度的增加应力波振幅(图7)。这种失败和变形行为将处于减速状态作为输入静态压力增大。例如,增加振幅塑料失败区和DDI的DDI位移减少静态压力的增加。,这种减少DDI幅度会增加应力波振幅的增加。然而,条目下的变形应力波比,没有大的影响,应力波不管多少应力波振幅。

3.3.2。DDI的成绩

DDT呈现线性增加的趋势和DLT呈现减少趋势的增加桥台engineering-permitted限制变形时应力确定为200毫米安全系数1.5,如图8。DLT大于DDT这个条目,条目之间的支承应力加载15 MPa和20 MPa。使用DDT和DLT, DDI分为三个等级包括“稍微干扰类型,”“中度干扰类型”和“暴力影响类型。“适度的范围的减少干扰类型,稍微干扰类型和暴力影响类型的范围随着支承压力的增加而增加。此外,DDT大于DLT当加载条目之间的支承压力20 MPa和35 MPa。条目的变形大于engineering-permitted限制这种支承应力下的变形无论DDI属于“轻微扰动类型”。这种入口位于区域存在高支承压力。一些措施喜欢摇滚的支持,摇滚整合,条目布局必须采取减少变形在这种条件下的条目。

3.3.3。布局的条目

条目应该布局以低于4.91或超过20.26米的距离的采空区据兰德如图的方法9。分段函数已经被证明是一个可靠的函数来描述支承压力的分布f(x)所示的方程(3)[59]。通过在MATLAB 2012 b数据拟合过程,确定幂函数来描述D(x),L(x)如图10和11与方程(4)和(5)。潜在的动态应力R(x)来自2.35×10的释放能量⁵岩层采动裂隙的相互影响的J在坚硬顶板结构(9,60]。这释放能量的影响对围岩等效动态应力的加载过程所取代,这相当于动态应力被确定为9 MPa利用弹性变形能量的方法(61年]。相当于动态应力将振动应力波的传播在沉积岩和其强度的衰减当它穿过不连续界面(62年]。R(x)确定如图12的位移不连续法(62年),它可以被描述为一个指数函数方程所示(5)。模型参数如表所示4。 在哪里f(xMPa)是支承压力;一个₁,一个₂,一个₃,一个₄,一个₅分段函数的参数,这可以由测量数据拟合;x是距离采空区的一边,米;p之间的距离是边的采空区的位置和支承压力的最大值,米;r之间的距离是边的采空区和原始垂直应力的位置,米;γ地质地层的平均体积重量,可以计算累计之和的比例每层的体积重量和厚度和地质地层的累积厚度,kN / m³;和H的累积厚度地质层次,米。 在哪里b₁,b₂,b₃幂函数的参数吗D(x),它可以由测量数据拟合。 在哪里c₁,c₂,c₃c₄幂函数的参数吗D(x),L(x),它可以由测量数据拟合。 在哪里d₁,d₂,d₃,d₄幂函数的参数吗D(x),L(x),它可以由测量数据拟合。

4所示。讨论

4.1。DDI的特征

塑性变形行为起主要作用的减少地下入口空间,将生成LDD如果足够大的塑性变形。塑性变形主要是由压力条件下,支架阻力和材料属性。确定地质条件,条目的塑料失败区在高的静态压力大于入口在低静态压力,和弹性区转化为塑性区需要较大的动态应力,增加的原因的DDT的增加静态压力。同时,高静态条目下的变形应力大于低静应力下的条目,这是减少的原因DLT静态压力的增加。DDI分为“轻微扰动类型”,“中度干扰类型,”和“暴力影响类型”滴滴涕和DLT的分布。DDI的塑料失败区= 1,DDI变形很小,当加载的动态应力略有不安的类型。DDI的塑料故障区域,显然和DDI的变形增加条目时的动态应力加载适度干扰类型。DDI的塑料失败区增加肯定超过1和DDI变形足够大的动态应力的加载项类型的暴力的影响。

4.2。兰德的意义

兰德力学行为有三个优势,加载条件下,对评价指标和变形煤材料而广泛使用[威尔逊的方程49,极限平衡理论50,51),和现有的数值模拟方法63年]。首先,postpeak应变软化行为的应变软化模型能够确定可靠的变形值评价指标相比,甲流病毒针对摩尔-库仑模型对煤炭稳定行为的材料,这被认为是由兰德。其次,地下条目有时受到支承压力和动态应力在同一时间。变形的价值评价指标的错误如果方法分别考虑支承压力和动态应力。最后,变形定量评价指标有利于进入布局与定性变形的变化。例如,地下条目将面临不同的engineering-permitted条件,如入口没有美国,美国允许的条目,并与美国一些条目。兰德可以用来布局这些地下条目的方法零增长DDI塑料失败区和engineering-permitted限制变形的方法。然而,应变软化模型描述了煤材料的变形行为,忽略了裂缝的影响及其内部填充物。这具有挑战性的问题将被认为是在未来在未来工作。

兰德是相对于其他广泛使用的方法来设计地下入口布局在同一地质工程条件下表5。在核心的稳定有利于煤柱当入口位于超过6.88米的距离采空区的一边,但条目的变形将超过engineering-permitted值和动态应力扰动被忽略。弹性核心是大到足以保护条目从大变形灾害的入口位于超过32.32米的距离采空区的一边;然而,煤柱宽32.32米生成减少煤炭资源的恢复。压力小于或等于原始压力当入口位于少于3.34或超过40.00米的距离采空区的一边,这有利于稳定的条目,但煤柱宽40.00米的改进煤炭资源回收。engineering-permitted变形的变形是在200 mm时,入口位于小于5.84米或超过17.13米远离采空区的一边,这是适用于欧元区没有扰动的动态压力。此外,engineering-permitted变形的变形小于200毫米的扰动时的动态应力应变软化模型被替换为莫尔-库仑模型,与变形不一致的行为。

4.3。的支架阻力的影响

对于现场的情况,地下条目总是LDD保护技术的支持。图13提出了支架阻力的影响DDT和DLT。滴滴涕和DLT增加支架阻力的增加,这意味着该条目可以承受较大的动应力与电阻的帮助支持。DDT大于DLT,因为条目的弹塑性变形达到engineering-permitted值前代的adp的支承压力下22.5 MPa。然而,DLT可以大于DDT当支承压力的值变化到另一个值,如支承压力变化的荷载条件从15 MPa 20 MPa(见图8详情)。

条目由兰德布局的结果是不同的,当支架阻力变化如图14。确定可接受的位置低于最大价值或超过最小值远离的采空区和它们之间的不可接受的位置布局地下入口。可接受的范围位置增加和不可接受的范围位置减少支架阻力的增加,这有助于防止地下入口支承压力和动态应力的协同效应。布局可以由图的条目14为确定地质、工程、和支持条件。

4.4。变形行为为字段条目

验证的可靠性方法,现场调查工作已经进行的下属圣在阳泉煤矿煤田。最大限度的支持,阻力计算为0.39 MPa。有完全10锚螺栓和8锚电缆进入区。地脚螺栓在区间880毫米,800毫米行空间,直径20毫米,长度2000毫米,150 kN的拉伸断裂载荷入口屋顶。他们在区间1900毫米,800毫米行空间,直径22毫米,长度2000毫米,150 kN肋骨拉伸断裂载荷的条目。锚电缆在区间880毫米,800毫米行空间,直径21.6毫米,长度5200毫米,400 kN的拉伸断裂载荷入口屋顶。他们在区间1900毫米,800毫米行空间,直径21.6毫米,长度5200毫米,400 kN肋骨拉伸断裂载荷的条目。

条目暂时安排在10米距离的采空区根据煤层的成功案例64年]。它遭受了大变形在屋顶条目开车。屋顶收敛达到265毫米,地板上收敛达到565毫米,rib-to-rib收敛达到413毫米。锚电缆断裂失效经验丰富的身体在某些地区,入口屋顶的稳定造成威胁。采矿工程师采取一些补救措施保证系统正常操作入口,导致人力和物质资源的浪费。单个液压支柱,初始服务负载11 MPa,用于加强入口屋顶的支持在整个条目。每一个失败锚索是替换为一个正常的一个。驾驶升沉岩石在地板上采用好几次了。代表现场照片如图15。

最大的区别是条目之间的机械应力边界条件在圣Sijiazhuang煤矿煤矿和条目。地质和工程条件显示了两个煤矿数之间的差异,从而影响支承压力的分布(65年]。例如,平均开采高度、埋藏深度,和进入区宽度是6.5米,600,和5.0年的圣煤矿,这是5.5米,574米,4.8年Sijiazhuang煤矿。潜在的动态应力扰动的影响没有被认为是在确定条目布局(6]。这个结果表明,入口可以产生大变形,即使成功的案例也有类似的地质和工程条件和经验的类比未知的东西。

条目应该安排在少于6.77或超过14.82米的距离圣煤矿采空区的兰德方法的结果显示在图14。兰德方法可以保护条目从高支承压力和动态应力的静态压力的暴力的影响。资源回收,圣煤矿安排入口在6米远离采空区的一边。变形行为是如图16,屋顶变形小于200毫米的engineering-permitted价值,验证兰德方法的可靠性。

5。结论

很难防止地下入口大变形时,支承压力和动态应力加载条目的同时在长壁开采工程。兰德的新方法提出了布局的条目。兰德DDI的关键技术参数,分为三个等级,“稍微干扰类型,”“中度干扰类型”和“暴力影响类型。“条目应该远离暴力影响的动态应力类型首先然后被安排在动态应力的区域属于轻微扰动类型。滴滴涕和DLT提出了解决DDI的成绩,可以零增长的方法计算了DDI塑料失败区和engineering-permitted限制变形。

动态和静态用FLAC数值分析模型^{3 d500}软件解决DDT和DLT成立。提高该模型的可靠性,莫尔-库仑模型和应变软化模型的岩石和煤材料变形行为与单轴压缩过程详细验证。针对摩尔-库仑模型应用于模拟应变软化模型和煤和岩石材料的变形行为,分别。模型的结果表明,DDI动态应力的增加线性增加。DDT增加线性和DLT减少与幂函数作为支承压力的增加。DDI = 1在塑料失败区和足够小变形时的动态应力属于轻微扰动类型。这些确实增加动态应力属于中度干扰类型和他们增加到足够大的价值观时,动态应力类型属于暴力的影响。

兰德力学行为方法有优势,加载条件下,对评价指标和变形煤材料而被广泛使用的方法,特别是对地下入口装满支承压力和动态应力。条目的可接受的位置布局范围的增加确实和条目能够承受更大的动态应力和支架阻力的增加,可以改善兰德方法的适用性。现场案例讨论验证,兰德方法是可靠的。兰德方法的不足是影响煤内部详细的不连续结构的材料,这将被认为是在未来研究项目。分析程序是可重复的和必要的自煤在地质和工程条件下材料可能不同。

数据可用性

所有的结果从数据的曲线。

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(51804099,U1704129, 51704098, 52004081),重点研究和特殊发展河南省科技项目(202102310542),中央大学的基础研究基金(2017 cxnl01),重点科研项目基金的河南省高校(a440011 19日),国家重点实验室研究基金的煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM19KF011),河南省重点实验室的研究基金会绿色高效开采和综合利用矿产资源(KCF201806),河南理工大学的自然科学基金会(B2018-4 B2020-34)和河南大学的基础研究基金(NSFRF180328)。

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