文摘

巷道变形和岩石破裂所面临的两个关键的挑战是煤矿的安全运行。针对问题的大变形下的gob-side巷道煤柱在multiseam矿业、研究认为这样的8308组Xinzhouyao煤矿在中国。基于理论分析、数值模拟和工程实践,机械模型的“应力和变形的定量计算gob-side巷道上覆下煤柱”成立于这项研究。垂直应力分布的解析解和塑性区gob-side巷道上覆下煤柱。最后,力学模型的准确性是使用数值模拟验证。结果表明,煤柱,正直的gob-side巷道上方,周围的悬臂屋顶gob-side巷道的主要因素是导致gob-side巷道周围应力集中和变形。为特定情况下被认为是在这项研究中,gob-side道路可能达到的峰值应力上覆地层自重应力的1.8倍。率的贡献gob-side巷道上覆的支柱和悬臂屋顶gob-side巷道峰值应力分别为78.3%和16%,分别。结果有重要参考意义的预防岩爆应力计算和设计gob-side multiseam采矿巷道上覆下煤柱。

1。介绍

在未来的几年中,煤炭仍将是中国的基础能源(1- - - - - -3]。减少煤炭储量的第一个开采煤层,煤矿开采的数量迅速增加上部煤层开采下(4- - - - - -6]。在multiseam矿业,煤柱的剩multiseam采矿影响应力分布和导致更复杂的情况,这使得它容易导致局部大变形巷道甚至岩爆在某些地区(7- - - - - -11]。现有的理论模型无法系统地计算应力分布在上覆在multiseam煤柱开采的影响。因此,它已成为一个紧迫的任务建立定量计算方法确定巷道的变形和破坏的作用下上覆煤支柱。

大变形巷道深部开采的一个特征,它也将遇到multiseam挖掘。对深部开采有很多研究成果,可为本研究提供参考。一些学者研究了深部软岩的变形机制巷道使用理论的角度12- - - - - -14,数值模拟15- - - - - -17),和实地测量18,19]。一项研究也研究了措施来控制巷道的变形20.,21]。这些理论和实践已经加快了研究道路失败的机制。一般来说,第一个开采煤层被认为是相对稳定的垂直和水平应力和无处不在的变形在整个巷道。然而,在接近multiseam采矿、残余煤柱和采空区上部煤层的重新分配将导致煤层压力低,这将导致更高的应力集中在上覆下煤柱和导致大变形或岩爆巷道(6]。因此,有必要建立一个定量计算方法multiseam挖掘的应力分布和使用深挖掘的研究成果作为参考来计算multiseam采矿巷道的失败。

关于multiseam矿业,一系列卓有成效的研究初步揭示了应力分布multiseam挖掘。在理论研究中,建立了一种新的方法使用的压力拱理论计算柱负载(22]。太阳et al。23]研究了上覆的稳定支柱使用弹塑性理论和滑动。肖et al。24)定性解释multiseam采矿造成的应力集中使用压力传输理论。高的数值和物理模拟,et al。25),白等。26,27),康et al。28)、et al。29日应用数值模拟和理论研究研究multiseam挖掘的应力分布。王等人。30.)使用模拟仿真获得的应力释放和应力集中multiseam矿业的特点。Ghabraie et al。31日),田et al。32),和黄等。33)利用物理模拟来研究顶板岩层的运动和在multiseam开采煤柱的稳定性。李等人。34]研究了岩爆引起驾驶一个underprotective煤柱使用地震ct技术,发现生成的集中应力叠加煤柱转向深度和导致异常的应力分布。沈et al。35能量密度)用微震的数据建立一个风险指数评估multiseam矿业的风险。赵et al。11剩下几个岩石破裂事故分析和得出结论,上覆支柱输送高应力诱导岩爆的巷道。为揭示这些研究提供一个参考的大变形下的空无一人的道路上覆在multiseam矿业支柱。然而,这些研究主要位于政权的定性解释multiseam矿业的应力集中和不稳定。现场实践表明,巷道的变形和破坏的影响下上覆煤柱取决于煤层间距,采空区相邻巷道,上覆煤柱的宽度,和某些其他因素。巷道的压力下采空区煤柱是非常不同的。如果相同的支持和减压措施采用覆盖煤柱下,往往会导致人力和物质资源的浪费和不允许有效控制巷道变形和破坏的。因此,它是重要的理论和实践价值建立定量计算方法来确定应力集中和multiseam采矿巷道变形和破坏。

考虑的宽度上覆煤层采空区煤柱,煤层之间的间隔,是否相邻工作面巷道开采出来的煤和岩石的性质,和其他因素,我们建立了模型的“大变形机制覆盖下的gob-side巷道煤柱,”可实现定量计算的变形和破坏巷道在空无一人的区域覆盖在multiseam矿业支柱。研究结果将对评估有重要指导意义支持效果,制定合理的支持措施。

2。工程背景

2.1。工作面地质条件

本研究认为8308年Xinzhouyao面板我在大同煤田为研究对象。大同煤田是一个典型的multiseam矿区与残留的支柱。图1显示我的位置。

8308面板位于东部第二小组14 #煤层和深272 - 300米。8308的屋顶和地板面板由硬砂岩组成。本季14 #和#煤层之间的距离大约是30米。图2(一个)显示了8308年综合柱状面板。

14 #煤层的开采方法包括全机械化的长壁开采。8308面板8310采空区的西部,而间隔煤柱的宽度是20米。东部由固体煤。gob-side和nongob-side道路包含保留底煤、宽3.6米、3米高。#煤层上覆的佳绩,30米以上14 #煤层开采,大量的不规则柱子离开这个地区。gob-side巷道附近8310 14 #煤层采空区和通过支柱8210—8215年间采空区,采空区的佳绩#煤层337 - 418区域(R₁在图2)停止线。也通过支柱之间8215采空区和8101的佳绩#煤层采空区503米- 678米区域(R₂在图2 (b))停止线。headgate经过8208采空区和8213采空区之间的支柱的佳绩#煤层161 - 175区域远离停止线,而本季的支柱8213—8211年间采空区,采空区#煤层266米- 400米地区远离停止线。此外,8215采空区和8211之间的支柱的佳绩#煤层采空区是577米- 600米地区远离停止线。空间分布关系的8308面板如图2 (b)。

2.2。巷道的变形特征

gob-side巷道的变形大于nongob-side道路的8308年道路驾驶和矿业的面板。巷道底鼓发生变形和尤其严重R₁和R₂地区的gob-side巷道。双方的巷道,超过2.0米,和单一道具沉入底部煤0.6米。gob-side巷道变形和破坏的图所示3。相比之下,尽管一定程度的巷道变形发生在地方nongob-side通过上覆支柱,它是在可控的范围内。

众所周知,对于现场巷道变形条件下,变形上覆下煤柱采空区下比这高得多,和变形gob-side nongob-side巷道巷道比这高。上覆下煤柱巷道变形multiseam矿业区域不同。变形的研究和实现定量计算有一定的指导意义在类似条件下防止灾害。因此,考虑上覆采空区的宽度和煤柱,煤层之间的间隔,是否相邻工作面巷道开采的,煤和岩石的性质,和其他因素,模型的“gob-side巷道大变形机制下上覆煤支柱”可以建立。模型可以用于定量计算的加载和损害gob-side巷道在不同类型的上覆煤柱。

3所示。模型的应力和变形计算Gob-Side巷道上覆下煤柱

multiseam矿业在特定条件下,应力集中区域的影响上覆支柱传达压力gob-side巷道应力转移的变化模式。与此同时,悬臂屋顶形成相邻采空区,形成的侧向支承压力gob-side巷道的围岩。根据弹性力学理论,煤岩体上覆下煤柱被视为理想弹性体,而上覆煤柱的应力分布简化为均布荷载。在这样的背景下,该模型的“gob-side巷道大变形机制下上覆煤支柱”,如图4。此外, , ,和整个煤柱的应力值,而 , ,和上覆采空区的应力值。

3.1。在上覆煤层应力计算和应力转移

柱子上的加载剩余的上覆煤层开采上覆地层的叠加的自重是支柱和侧向支承压力由采空区的悬顶面积一个或双方的支柱。上覆煤层开采后,采空区和支柱负担趋于均匀分布经过长时间的煤和岩石结构的平衡。煤柱的单位长度负载可以估计煤柱根据负载的估算模型,如图5(36]。

假设的采空区宽度煤柱的两面是不同的,平均负载可以由煤柱

在这里,D₁和D₂的宽度是采空区煤柱的两面;煤柱的平均应力;B₁和B₂是两个不同煤柱的宽度;H煤层的深度;和冒顶角。

之间的区别在煤层上覆岩层自重应力和残余煤柱的负载是采空区的负载。然后,采空区的平均负载可以写成

在获得煤柱的应力分布和采空区上覆煤层,上覆煤柱的应力传递模型,建立了采空区。如图6,X设在在垂直方向,Y设在向下。

煤层开采后的低,屋顶将会产生屈服区,裂缝开发区,弯曲沉降区。通过计算,屈服区和裂隙开发区的高度大于两个煤层之间的间隔,所以整个煤柱1失去压力的能力转移到m .因此,压力传播在这里不计算。以AB段支柱为例,上覆煤柱的应力转移和采空区点米计算。的坐标点A, B,和M (x_一个,y_一个),(x_B,y_B)和(x,y),分别。无穷小的长度在距离吗从原点的坐标段AB。根据弹性理论,造成的压力是由元素点米

通过整合每一个无穷小的压力段AB使用方程(3),基于 来 ,从段AB垂直应力转移点是由

方程(4)是集成获得

上覆残余煤柱和采空区的应力影响范围内的转移点米煤柱的较低部分计算使用方程(5)。此外,压力值 上覆的残余煤柱和采空区煤柱转移到部分可以确定。

3.2。侧向支承压力的计算

相邻工作面开采后,区上的屋顶形式一块悬臂分段支柱(煤柱工作面和采空区之间的最后一个工作面),导致侧向支承压力。如图7的角屋顶之间的断裂线和水平线崩溃后的屋顶被称为冒顶角。这个角屋顶的起始线之间的旋转变形和水平线叫做基岩运动的角度。

的岩石被认为是自重应力的计算转移和采空区上覆煤支柱。因此,在计算相邻采空区的悬臂式屋顶的压力,只有两层之间的侧向支承压力的煤被认为是。

侧向支承压力( )由重力压力( )和额外的应力增量( )从周围的悬臂屋顶gob-side巷道和是由

, ,和 是我th增加额外的压力沿采空区覆岩从块横向煤炭的身体,和米是屋顶悬臂块的数量之间的低煤层和上覆煤层。

计算悬臂块大约是作为弹性体。额外的负载分布均匀的形式加载轴承表面的岩层。因为只有两个煤层之间的地层,以及它们之间的间隔很小,悬臂的力量阻止计算根据结构没有任何发音。悬臂式块产生的附加载荷 ,在哪里是悬臂的重量的总和在吗我th层和悬臂的重量块之间的屋顶我th层和上覆煤层。是垂直距离的起始点悬臂块的旋转变形层我煤壁。

第二层的悬臂块作为一个例子,单层悬臂的附加载荷的压力块转移到米计算。的坐标点C在煤壁延长线的交点和第二层的上边界悬臂块(x_C,y_C),而D指向的交点的坐标基础移动行和第二层的上边界悬臂块(x_D,y_D)。如果是无穷小的长度在距离从原点的坐标段CD,造成的压力无穷小点M等于

在这里,问₂是第二个悬臂块所产生的附加载荷。

集成的压力段中的每一个无穷小的CD 来 (方程(7)),第二层的附加载荷的应力值M是由悬臂块转移到点

方程(7)是集成获得

gob-side巷道周围的围岩应力转移,通过gob-side巷道周围的悬臂式屋顶,是由

根据方程(9),压力每一层悬臂块的点可以计算。侧向支承压力点M是通过结合计算结果与方程(10)。

3.3。计算塑性区范围

的大变形巷道是诱导形成和发展的巷道周围煤和岩石的塑性区。塑性变形的范围和分布直接代表了巷道的变形的大小和形状。因此,有必要进一步研究塑性变形的大小和分布在获得应力的叠加值通过上覆煤柱和悬臂gob-side巷道周围屋顶。程(37]讨论了适应性相关的塑性区围岩的巷道。在他们的研究中,塑性区范围的计算使用Kastner相关性。在计算,简化为一个圆形巷道。根据应力计算模型gob-side巷道上覆煤柱下,计算应力值,结合Kastner相关性计算的结果巷道周围岩石的塑性区范围 在哪里是圆的半径外的道路,塑料带的深度,侧压力系数,围岩的凝聚力,内摩擦角,是支架阻力,是转移压力的叠加值覆盖煤柱和悬臂gob-side巷道周围屋顶。

上述过程构成模型定量计算的应力和变形gob-side巷道上覆下煤柱。模型充分考虑了上覆煤支柱的作用,采空区,悬臂gob-side巷道周围的屋顶和计算gob-side巷道的塑性区范围基于multistress叠加的结果。

4所示。基于模型的应力和塑性区分析

4.1。计算应力和塑性区

以下4.4.1。本季应力转移计算#煤层

从推导应力转移模型和具体的计算结果,剩下的支柱和采空区的应力值#煤层战绩转移到低计算煤层。煤柱的宽度和采空区部分我,如图1以37米,51米、44米(宽)从左到右。采空区的宽度值先后58米和100米。本季#煤层的埋深272米。屋顶塌陷角是由 ,和基岩运动角是由 。#战绩缝之间的距离和14 #煤层为30米。

根据方程(5),剩余柱子和采空区的应力值在本季#煤层gob-side巷道附近的计算。因为8310面板已经开采出来,残余应力的柱子在8310年的上部采空区不计算。然后,某一点的应力转移叠加值附近gob-side道路了,给出的

4.1.2。侧向支承压力的计算

根据侧向支承压力计算模型,产生的压力计算悬臂块8310年采空区 kN / m³, m。

当侧压力计算时,只有一个由开采煤层及其之间的屋顶上缝。根据钻孔柱状图的8308面板,分为四层,屋顶和厚度值3米,4米,6米,17米从下到上。8310采空区侧向支承压力可以通过将参数纳入方程(10),这导致

4.1.3。计算的总压力

通过叠加的佳绩#煤层的应力转移价值和侧向支承压力,14 #煤层的垂直应力分布曲线,如图8。

4.1.4。计算Gob-Side巷道塑性区

由于上覆煤柱的影响和产生的侧向支承压力gob-side巷道周围的悬臂式屋顶,gob-side巷道周围的应力不均匀分布。根据力学模型的结果,压力值在20米左右的范围gob-side巷道中线的集成。然后,应力值左右的道路得到如下: 在哪里的应力值在左侧道路中线,Φ吗_l压力的积分值在20米巷道中线的左边,的应力值在右边道路中线,和Φ吗_R压力的积分值在20米巷道中线的右边。

在获得垂直压力两边的gob-side巷道,巷道塑性区范围的计算使用方程(11)。为此,各种参数有以下值:巷道的外圆的半径 ,凝聚力 MPa围岩的煤的身体,凝聚力 MPa顶底板围岩的砂岩,摩擦角 煤炭的身体,内摩擦角 砂岩的屋顶和地板上。支持电阻的作用是不考虑。

垂直巷道的应力值的双方纳入计算塑性区半径的屋顶和地板和煤炭的身体。左右的屋顶和地板都是1.8米和1.72米,分别,而煤炭的两面体达到4.73米和4.29米的价值。

计算边界如图9。

4.2。与数值模拟对比分析

根据实际的地质和采矿条件8308面板,使用FLAC3D软件模拟gob-side巷道的围岩压力在8308面板并与理论计算结果。岩层是使用莫尔-库仑模型建模。顶部边界条件模型的应力约束,而负载相当于上覆地层的自重(6 MPa)应用。根据现场应力测试结果,侧压力系数设置为1.2。底部表面由正常和切向位移约束。14 #煤层的厚度值,地板和屋顶是4.5米,20 m,分别和30米。本季的厚度值#煤层和屋顶是5米和15米,分别。为了避免边界效应,8308面板的地质条件扩展模型。左右延伸100米和50米,分别。每50米的前后延伸。 The mechanical parameters of 14–3# coal seam and bottom roof and 11–2# coal seam and roof are presented in Table1。在本季采矿的工作面临着#和14 #煤层,采空区的本构模型直接屋顶改为应变软化模型。当采空区直接顶不屈服,抗拉强度是0,内摩擦角和凝聚力保持不变。当塑料产量的直接顶为1%,凝聚力下降14.11%,内摩擦角降低到50.87%。当塑性区完全形成的直接,凝聚力降低到4.70%,内摩擦角降低到16.14%。数值模拟模型如图10。

根据模型、塑性区和垂直应力14 #煤层的部分我得到,如图11。

比较的结果我机械模型和数值模拟部分,数值模拟结果表明,塑性区深度两岸的gob-side巷道约4.2米,而相应的理论计算值是4.29 - -4.73米。应力计算结果的相关系数为0.89。数值模拟结果表明,屋顶塌陷角和基岩运动角约为75°。这是符合现场测量和分配的理论模型。数值模拟的结果为塑性区,屋顶倒塌,压力与力学模型的结果高度相关。因此,理论模型和数值模拟可以用来计算的塑性区gob-side煤柱巷道上覆下。

5。讨论Gob-Side巷道的变形机制

通过分析力学模型的“应力和变形的定量计算gob-side巷道上覆下煤柱”和8308年的计算结果面板作为一个例子,巷道大变形的主要影响因素,以及各主要影响因素的影响程度可以定量分析。结合现有的支持措施,结果表明,大变形的主要影响因素gob-side巷道上覆下煤柱如下。

5.1。上覆煤支柱

如图2 (b)的gob-side巷道煤柱上覆以下8308面板直接坐落在部分1。战绩#煤层开采后,上覆煤柱的应力结果传递和采空区从模型中获得的,如图12。贡献最大的压力来自上方的煤柱巷道。峰值应力达到12.06 MPa的价值,和由煤柱应力传播正直是78.3%以上。峰值应力值上覆地层自重应力的1.8倍。平均应力通过巷道上方的支柱是总数的81.5%平均压力。

5.2。采空区相邻巷道

图13显示了侧向支承压力的部分1得到的模型。侧向支撑压力的峰值应力值为1.93 MPa。峰值应力的位置如图13占总数的16%垂直压力。

由于8310采空区的左边8308面板中,水平应力减小煤柱的部分。赵(38)表明,在某些条件下,侧压力系数越小,塑性区深度越大两边的道路。因此,道路相邻采空区更容易发生大变形。

5.3。底煤巷道中保留和支持不足

Xinzhouyao煤矿的巷道采用矩形布局,如图14。巷道的屋顶由四行螺栓,直径20毫米,2米长,0.8米×1.04米的行间距。建筑屋顶的两行锚电缆1.82远离道路的两侧,而行间距是3 m。双方的巷道支架螺栓的三行,行间距是1米×1.2米。煤是保留在巷道底部。采用单一支柱支持50米内先进的工作面。

比较了塑性区使用理论模型(图计算9)与实际支持参数现场,发现巷道螺栓的长度只有1.7米,而螺栓都在塑性区。很难取得实质性的巷道支护效果。

所建立的模型可以定量计算应力和变形的程度的综合影响下采空区上覆煤柱。此外,该研究还分析了各种因素的影响程度,对应力和变形的程度。研究结果将对评估有重要指导意义的支持和制定相关的措施。

值得注意的是,模型和数值模拟将简化计算的工程地质条件。因此,将会有一些错误理论和仿真结果与现场情况。由于这个原因,有必要把结果与现场数据来确定损伤评估和支持方案制定gob-side煤柱巷道上覆下。

6。结论

(1)我们建立的力学模型应力和变形的定量计算gob-side巷道上覆下煤柱。根据建立的模型,我们研究了影响程度的主要控制因素对gob-side巷道的失败部分我。gob-side巷道周围应力的峰值达到12.06 MPa。gob-side巷道上覆的支柱传递压力的78.3%。侧向支承压力传递压力的16%。的峰值压力是上覆地层自重应力的1.8倍。(2)通过定量计算的应力和塑性区gob-side巷道上覆下煤柱,大变形的主要影响因素的gob-side巷道得到:上覆煤柱造成的应力集中,产生的侧向支承压力悬臂式屋顶,煤炭保留在巷道底部,和足够的支持。(3)所建立的模型可以定量计算的应力和塑性区分布多个力的作用下巷道来源和获得的主要控制因素的影响程度。对评估结果有重要参考意义的效果,制定合理的支持措施gob-side multiseam采矿巷道上覆下煤柱。

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在这个工作。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号51634001和51634001),中国国家重点研究发展计划(批准号2016 yfc0801408),山东省重大科技创新项目(2019 sdzy01)。作者想表达自己的感激之情为这项研究提供资金的机构。