上覆地层的迁移规律研究Gob-Side条目保留由屋顶切割和浅埋煤层压力释放

文摘

坚硬顶板的力学模型建立了分析减压屋顶切割为gob-side条目(RCPR)过程保留(蒙古包)和识别在RCPR巷道稳定性控制的关键阶段。机械的关键参数分析的基础上自动与RCPR巷道,采用FLAC3D软件软件进行数值模拟研究RCPR的高度和角度的影响规律,分析了垂直位移的变化趋势在不同条件下巷道围岩压力和屋顶,屋顶和验证最优切割高度和缝切割角的煤矿12201工作面Halagou 6 m和20°,分别。自动巷道的影响与RCPR已经通过进行双向累计实现现场爆破试验。实施有效的巷道围岩控制措施在RCPR Halagou煤矿的艰苦,含屋顶结构在开采深度浅,恒阻大变形锚杆电缆,结合一个液压支柱,梁钢11 #,和钢筋网,可以提供围岩活动的支持。除了积极支持、围岩控制可以加强使用灌浆螺栓。根据结果,巷道煤方面的压力和屋顶的垂直位移可以通过增加屋顶切割高度降低,导致巷道的稳定性。屋顶切削角的增加将导致压力的增加煤炭的巷道顶板位移的增加,最大20°角。与此同时,应力集中峰值两边的极端角却降低了。因此,随机增加减少屋顶角可以不利于巷道顶板的管理。开发RCPR蒙古包,巷道围岩时需要更大的支持我的脸经过切割槽。 After industrial trials, these measures are proved to be effective in controlling surrounding rock movement and developing GER.

1。介绍

因为最近的突破在氢、太阳能、风能和其他可再生能源技术,煤炭能源生产稳步下降。然而,鉴于目前的趋势,全球能源需求,煤炭资源仍将是主要的替代能源发电很长一段时间。提高煤炭资源的提取速度和效率,各种煤矿问题,如煤炭和天然气爆发,气体积累和集中的压力面临在煤矿工作,必须解决(1,2]。经过半个多世纪的不懈努力,研究采空区地层巷道保留技术取得了丰硕的实践成果3]。目前,no-pillar矿业已经发展成为一项成熟的技术(4,5),被广泛应用于煤矿的过程(6]。No-pillar矿业技术需要沿空巷道驾驶左巷采空区削减顶部卸压(7]。这种技术近年来取得了令人鼓舞的进展(8,9]。自动和减压切割巷道顶板(RCPR)是一种新型的煤柱开采技术,可以减少从岩石梁荷载传递到路边,从而提高巷道的稳定性(10,11]。该方法包括定期打破了悬臂梁加权的precrack岩石梁下的屋顶(12,13]。实现先进的沿采空区巷道顶板预裂、空巷道和采场顶板必须立即切断从顶部的屋顶。然后,作用下采场顶板的周期,基本的链接是沿着预裂面减少,使那个地区的矿业和移动上层阶层的支持。这减轻压力对巷道周围的岩石,从而提高巷道稳定周围岩石应力集中的区域14,15]。

根据不同的工作面顶板岩性的影响保留道路(16,17)和基于有限元计算软件的结果,前减压削减支持螺栓和岩体之间的压力变化18]。煤层开采围岩应力变化的强烈影响的顶部,这向巷[释放压力19]。具体来说,基于理论研究和现场实践,围岩的应力会导致重大的改变在覆岩断裂流动(20.- - - - - -22]。因此,破碎的围岩应力变化和运动规律对巷道支护设计尤为重要。在唐山矿,青草沟矿矿石测试显示,(23,24),由于其与薄煤层采煤工作面,巷道高度下降相对较低,地层变形和应力变化相对较小,和较低的支持力量是所需的车道。然而,这种技术是很少使用与中厚煤层及以上,因为由于大型巷道切割高度,上覆岩层移动变形大,这样的煤层和高应力变化,技术的控制有很多负面影响巷道周围岩石和屋顶。

基于先前的研究[25,26),本研究试图确定巷道稳定控制的关键阶段RCPR过程中通过建立力学模型的硬顶在RCPR基于岩石的力学特性。12201年的地层行为完全机械化面临的浅埋煤层Halagou煤矿已经使用应用FLAC3D数值模拟软件模拟和研究[25,27]。此外,屋顶之间的垂直位移的变化趋势,分析了巷道周围岩石的不同高度和角度切割屋檐下确定合理参数屋顶高度和seam切削角。屋顶切割的影响,通过现场实践验证,可以提供理论支持和现场经验向no-pillar煤炭采矿方法使用一个自动巷道与RCPR Halagou煤矿。在这项研究中,在综采工作面压力,厚煤层,东方Halagou采空区沟煤矿附近被评价浅、薄基岩。调查是关于液压顶切割方法进行地层上部采空区的迁移。上述操作相应的支持技术在厚煤层,专注于削减尚未执行的卸载过程在煤层开采超过7米。

2。巷道围岩的力学特性在RCPR蒙古包

在RCPR蒙古包过程中,巷道围岩的结构改变了围岩的应力变化。RCPR之前,上覆地层维持高完整性通过传播同样的负载。在这个阶段,不会出现变形,巷道围岩保持稳定;参见图1(一)。巷道顶板之间的物理连接和切槽地区采空区顶板破碎是因为预裂切割槽的坚硬顶板(7]。因此,屋顶可以改造成一个悬臂梁。自从我的脸不前进,煤炭在艰难的屋顶可以防止沉降和变形;参见图1 (b)。

如果面对达到切割槽,发生冒顶的覆层屋顶上方的集中载荷。这导致了皮瓣前现象之间有一个空的空间上覆地层和屈服煤矸石。与此同时,采空区顶板经常运动。实现成功的蒙古包,围岩支持必须在这个阶段实现;参见图1 (c)。随着面对的进步,在采空区上覆地层和煤矸石逐渐压缩和稳定。在此期间,负载由上覆地层深转移到采空区而其他地层在上面的切割槽与锚巷道的稳定。巷道的两端压力转移到集成煤采空区下脸和煤矸石;参见图1 (d)。

通过分析,坚硬顶板简化为悬臂梁,以及应力状态如图2(一个)。瓣顶部区域,支持力量的主要支柱是分布在一个三角形的形式。考虑的最终骨折造成的硬顶最初和循环运动达到煤壁(13),煤炭的悬臂梁墙被认为是打破在设计坚硬顶板的力学模型。是在煤壁骨折,l悬臂梁的长度。

如果块旋转点O皮瓣前骨折后, 与点x在一个给定的点距离O(见图2 (b)屋顶),然后向前移动,

那一刻和剪切由坚硬顶板力学模型描述的是相等的

如果 , ,屋顶的时刻的时候可以决定使用

拉应力应用于屋顶所表达的是(11):

拉伸断裂发生在剪线时,拉应力应用于屋顶超过其极限抗拉强度时,即

根据(10)- (13),沿切割线张力断裂发生时,屋顶支架阻力可以表示为

路边上的支架阻力是否满足给定的条件(14),屋顶可能骨折在路边的支持,当悬臂梁就会滑下来,形式的墙壁巷道由于上覆荷载和重力。

3所示。12201工作面地质条件

面对Halagou煤矿12201综采工作面是第一个第二个面板的煤矿12 #,斜脸的320米747米的宽度和长度(从切割孔停止线)。蒙古包部分长度为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;可采储量达到61吨。煤层相对稳定,与12202年在西北,除了附近没有其他的脸。12201的布局完全机械化的脸,如图3。

在岩性的12201条款完全机械化的脸,上覆基岩厚度是55米到70米,而疏松的层厚度0米至33.48米,60米到100米的深度。的直接顶板煤层是粉砂岩组成的平均厚度为1.84米。12煤层上部立即躺在屋顶,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。煤层的屋顶主要由细砂岩和粉砂岩,平均厚度3.34米和4.05米,分别。眼前的地板的脸是由粉砂岩与平均厚度为3.67米。底部的立即地板,有细砂岩和其平均厚度为4.23米。12201全机械化面临的岩性图所示4。

4所示。分析关键参数的自动与RCPR巷道

在采空区顶板破碎,停止在工作面后屈服了。主要的屋顶是由悬臂梁结构在一定长度由于自重的破坏,使得影响完成后第一个屈服。之间的接触应力基本屋顶和重叠的岩层是由于悬臂屋顶的状态。接触层产生的位移导致屋顶的剪切破坏,因此生成大型旋转变形,增强了路边支持的难度。屋顶上的预裂缝形成通过自动与RCPR巷道。屋顶是作为一个整体在下降周期下的预裂缝加权效应,这减少了旋转变形引起的剪切破坏的屋顶,因此控制平衡载荷分布的上覆地层的目的和实现自动驾驶道路和围岩稳定。

采空区的现状在12201年完全机械化的Halagou煤矿简化力学模型的屋顶切割高度,如图5。不是通过拉伸应力假定的脸中扮演着一个关键的角色在屋顶切割。屋顶切割高度越大,越不是通过拉伸应力假定的脸。通过这种方式,不是通过脸可以顺利被削减,而上面的屋顶采空区完全将洞穴。关键的决定性参数平稳切削立即屋顶可以保证通过确定合理的屋顶高度降低。根据岩石破碎理论(21,22)、公式(15)应用于计算屋顶高度。

当RCPR进行挠度为零的屋顶,屋顶不能就彻底屈服了由于大型垂直应力产生的屋顶采空区上方,导致应力集中。一个seam可以选择切削角。采空区的冒顶效应(25)可以深刻影响角的效果。

采空区在12201年完全机械化的Halagou煤矿与seam切削角简化为力学模型,如图6。由于屋顶是畸形的沉由于上覆岩层的重力的影响 ,挤压摩擦τ将生成的缝切割,应减少为了实现屋顶的平稳下沉通过屋顶完成切割。时,屋顶将下降 (25]。斜切缝时,会有一定的角缝。在切缝挤压摩擦 小于,垂直切割缝。不同的缝切割效果可以从不同的缝切割角度,结果有很大的影响上覆岩层的运动和应力分布。因此,确定一个合理的缝裁切角将有助于完成工作面冒顶的和平衡的应力分布。

5。统治阶层的行为与RCPR自动道路

5.1。数值模型的建立

根据12201年的地质条件完全机械化面对Halagou煤矿,建立了计算模型,应用FLAC3D数值模拟软件的应用。自动过程中巷道通过屋顶结构调整形成,周围的岩石巷道将在屈服状态或塑性流动,而煤和岩石的自由表面将处于弹性状态。利用FLAC3D软件,分布的巷道周围岩石的应力应变模拟分析其变化和位移在屋顶切割和自动卸载。

莫尔-库仑本构模型的大小180×60 m×50米被选中。矿业的模拟巷道和工作面5 m×60 m×2米和100米×60 m×2 m,分别。道路的覆盖深度是100米。先进沿着屋顶,屋顶是钻沿着煤层的屋顶和地板上。屋顶是由2-meter-thick粉砂岩,2-meter-thick 12装煤,1-meter-thick泥岩,4-meter-thick细砂岩,和4-meter-thick粉砂岩,从上到下;而地板由4-meter-thick粉砂岩和细砂岩4-meter-thick,从上到下;提出了地层力学参数表1;计算模型如图7。的位移x方向是有限的左右边界模型,而位移由forward-backward边界方向是有限的。此外,随着应用水平压应力与深度、不同的位移方向是均匀分布的下边界限制自重应力应用于上边界。

5.2。数值模拟结果的分析

围岩垂直应力的分布特征不同的屋檐下切割高度图8。从表可以看出,屋顶切割高度在转移中扮演一定的角色的围岩垂直应力对煤的核心。应力集中的位置转移到煤方面的核心部分。图9礼物分布特征的垂直位移下的围岩屋顶切割高度。巷道顶板的垂直位移与屋顶的增加降低了切割高度。卸压效果不同的屋顶高度如图10。具体来说,应力集中峰值为3.03 MPa, 2.71 MPa,和2.67 MPa时,屋顶切割高度在4米、6米、10米,分别。更重要的是,应力集中区域的影响逐渐减少煤炭的道路,这表明屋顶裁断高度的增加有利于巷道的维护。虽然它使应力集中区域远离道路,增加高度的影响在应力集中区域的位置几乎不变,由于屋顶切割高度的增加需要增加剂量,使建筑更加困难。垂直位移的最大值的巷道顶板是101毫米,100毫米和97毫米的屋顶切割高度4米,6米和10米。逐渐降低了巷道顶板垂直位移是有利于控制围岩的变形的屋顶和维护巷道的稳定。

围岩垂直应力的分布特征不同的屋檐下切削角度都呈现在图11。可以看出,内部的应力集中区域煤炭边是大约5米或6米远离煤炭方面。屋顶切削角是至关重要的维持巷道围岩的稳定性。垂直位移的分布特征不同屋顶下围岩切角呈现在图12。当屋顶切削角度10°,20°,25°,会有一个大的垂直位移采空区的屋顶。由于低应力区域覆盖大范围在采空区,一定分束角有利于在采空区顶板崩落,从而达到填充采空区的目的和支持上部地层与岩体屈服了。卸压效应在不同屋顶切削角度如图13。它可以观察到,应力集中峰值3.80 MPa, 5.21 MPa,和5.15 MPa的屋顶切削角度10°,20°,分别和25°。此外,屋顶切削角的影响在一个极端的应力集中峰值的关系。具体而言,应力集中峰值与屋顶的增加增加切削角左侧的极端20°角,而应力集中峰值却降低了屋顶的增加切削角右边的极端20°角。当屋顶切削角度10°,20°,25°,屋顶的最大垂直位移是240毫米,480毫米和500毫米。屋顶切削角越大,屋顶的垂直位移之间的交互屋顶在采空区和巷道的屋顶,屋顶与角的增加削弱了切割。与此同时,短梁的长度延长屋顶的道路,导致屋面变形的增加。

6。在RCPR围岩控制

6.1。现场试验

关键参数的自动巷道RCPR Halagou煤矿12201完全机械化面临的模拟和研究与应用FLAC3D数值模拟软件,确认合理的屋顶切割高度和分束角6 m和20°,分别。屋顶Halagou煤矿复杂的条件。直接顶粉砂岩的抗压强度、泥岩和细粒度砂岩相对较低。根据屋顶的曝光12201运输巷道开挖期间,有部分地区特殊的地质条件巷道的屋顶,这增加了爆破难度。如果使用传统的爆破方法,它必然会导致大面积的巷道顶板破坏甚至塌顶和其他严重事故的发生。双边累积强度爆炸技术可以保护屋顶的完整性而爆破、预裂形状,可以满足要求的设计方案。

双边累积强度爆炸是受雇于定向屋顶切割。至于定向拉伸断裂的潜在机制,具体地说,两个形状的指控被放入收集装置的两个预设的方向爆破。爆炸后,来自不同的方向的压力比预设的其他应用统一爆破钻孔周围的围岩,在紧张的预设的方向在同一时间。

但是。减少高度

切割高度指的方向切割煤层的裂缝通过定向爆破技术累积屋顶。最大垂直距离从屋顶平面通道向上发展的切割缝称为切割高度。定向爆破切割开槽屋顶的核心部分是减压屋顶沿采空区道路切割技术。足够的狭缝高度可以确保煤矸石切断支持旧的顶级摇滚束的运动在采空区上覆地层。基于(15),K被设置为1.3。考虑墙高的影响和不考虑底鼓和顶板下沉,狭缝的高度小于6.7米。考虑到屋顶的煤层工作面属于复合顶板,顶板下沉量和底鼓量在precrack缝洞的深度确定为6米(28]。

6.1.2。狭缝角

通过分析实际的效果类似开采条件的,可以观察到一个明显的角缝,这不仅会影响采空区的顶板跨度也分布在应力集中区域。一个合适的切角有利于采空区的顶板跨度和提高采场的应力分布。因此,最优缝20°角确定。

在现场试验方案,执行一个单孔测试来确定最优充电的最佳空气柱的长度和数量根据屋顶偷看的结果在早期阶段。然后,一个连续的孔测试来确定执行两个相邻孔之间的最佳间距。最后,single-detonation-number试验进行确定最佳起爆爆破孔的数量为一个爆炸(29日]。切割高度和狭缝角有重要影响的成功gob-side条目保留由噗切割和释放压力。裂纹扩展的洞爆破后如图14。

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。引发的最优长度是0.5米。10的水井中产生爆炸。井下布局如图15。

6.2。支持参数

12201年完全机械化Halagou煤矿,因为它有一个复合屋顶在浅深度,皮瓣的12201运输槽变得相对长,生成大量的粉碎煤矸石初始权重的脸后,和采空区的上覆地层的裂缝贯穿地球表面,因为循环加权。因此,除了最初的支持12201年Halagou煤矿运输槽,恒阻大变形锚杆安装在切割线附近的电缆应提供积极支持,由一个液压支柱,辅助梁钢11 #和钢筋网。此外,松散、破碎围岩应与灌浆加固螺栓。粗石间的缝隙充满了灌浆建立一个有效的轴承拱围岩和路边的支持和防止采空区的煤矸石单向道路。巷道支架,如图16。

之间的距离恒定电阻锚索钻孔是0.35米,而锚线之间的距离是2.0米。相邻锚电缆连接π钢带。巷道支架海拔图所示17。煤矸石围护结构之间的距离和梁钢11 # 0.6。煤矸石留住单体的行间距是0.6米。钢丝网的网格大小为0.04米×0.04米。

远程监控系统是用于监控的应力条件恒定电阻在蒙古包群锚屋顶。群锚11 #和12 #被选为监控和数据分析。这些锚电缆381米和331米的12201年的脸和切割洞。如图18压力对群锚,11 #和12 #当滞后距离增加13 m和−−63米。面对不断进步,压力保持稳定。因此,恒阻大变形锚杆电报发挥有效的作用在促进RCPR蒙古包提供积极支持的切槽。

至于灌浆螺栓的布局,每个部分有三个螺栓灌浆,行距离为0.8米。巷道的灌浆孔和墙上形成一个90度角,如图19。灌浆材料的混合水泥,水,和水的玻璃,倒从下到上。灌浆从入口向密闭墙。注浆量如图20.。

12201年的屋顶完全机械化面临主要由粉砂岩和泥岩。当采空区稳定后初始屈服,屈服的高度(h_我)的泥岩巷道应测量。在此基础上,膨胀的因素K可以确定使用

测量分年代1 -年代5建立50米背后的脸,之间的距离测量分10 m。如图20.每个测点的湿胀率的改变,当面对进步。具体来说,膨胀因素降低随着时间的推移,最终稳定在1.35和1.40之间的范围。湿胀率保持稳定时,脸和对应的测点之间的距离介于60米和110米。此外,每个测点的单体下降减少,成为稳定的脸往前移动。当一个单体下降仍然保持在一个稳定的水平,脸和对应的测点之间的距离从60米到110米不等,这和湿胀率曲线是一致的。换句话说,松散的钢筋,在煤矸石破碎围岩支护结构使用灌浆螺栓进一步提高了围岩的整体稳定性的煤矸石围护结构、提高了支持和墙产生令人满意的控制性能。膨胀因素和单体氯化氢在我脸的推进如图21。

7所示。结论

(1)硬顶板力学模型开发了顶变形的力学分析RCPR蒙古包的过程。发现采空区顶板是不断在运动走向和交叉切割线。在这个阶段,巷道围岩的支持应该严格执行,以确保顺利蒙古包操作。(2)关键参数分析的基础上自动与RCPR巷道,屋顶的高度和角度的影响减少对地层的行为与应用FLAC3D数值模拟软件,模拟和研究,证实了优化屋顶切割高度和分束角的煤矿12201工作面Halagou 6 m和20°,分别。自动巷道的影响与RCPR已经通过进行双向累计实现现场爆破试验。(3)煤内的应力集中区域的道路已经逐渐远离巷道一侧由于屋顶的增加降低高度。巷道顶板的垂直位移下降导致巷道的稳定性。应力集中区域的位移距离的核心煤炭方面增加了屋顶的增加切削角。但在这种情况下,屋顶之间的交互以上采空区,道路就会被削弱。与此同时,巷道顶板的短梁的长度增加,导致增加巷道屋顶的垂直位移。有一个极端的屋顶上20°角减少减压。随着应力集中峰值曲线的两边的极端角减少,增加减少屋顶角可以不利于巷道顶板的管理。(4)基于巷道围岩的支持期间面对Halagou煤矿12201综采RCPR蒙古包,面对方法切割线时,应提供积极支持通过增加恒阻大变形锚杆电缆,应与后面的辅助支持由一个液压支柱,梁钢11 #和钢筋网。同时,宽松和煤矸石破碎围岩支护结构应加强使用灌浆螺栓。与有效的巷道围岩在RCPR支持,gob-side条目保留和煤炭pillar-free矿业成功实施。希望这项技术可以促进业务有关RCPR含屋顶结构的浅开采深度。

命名法

:	反作用扭矩支撑的巷道(N·m)
:	物体的惯性矩旋转点O(公斤·m2)
:	在煤壁骨折(米)
:	重力加速度(m / s2)
:	时刻(N·m)
:	转动惯量的dx旋转重心(m)
:	惯性矩(N)
:	屋顶切割高度(米)
:	下沉的屋顶(m)
:	底鼓量(m)
:	湿胀率,1.3 - -1.5
:	崩溃泥岩的高度(米)
:	泥岩厚度(m)
米:	负载转矩的屋顶(N·m)
l:	悬臂梁的长度(米)
问:	均布荷载由坚硬顶板(N)承担
:	条目保留宽度(米)
:	剪切(N)
T:	悬臂梁的厚度(米)
:	断路器的支持反应道具(N)
:	开采高度(m)。

希腊符号

:	旋转物体的加速度旋转点O (s−2)
:	拉应力应用于岩石梁(Pa)
:	极限抗拉强度的屋顶(MPa)
:	摩擦(N)。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

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)。

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