文摘

岩爆是矿业安全与经济的一个主要威胁。岩爆发生在长壁开采巷道破裂事件的占总量的85%。探讨在长壁巷道岩爆的因果机制建立在工作面有限弹性梁模型基于弹性地基理论。破碎过程的主要屋顶和相关的动态效应进行了分析。结果表明,顶板的运动显示了自由振动在一定的阻尼电阻。也发现,屋顶主要振动频率增加而增加屋顶的厚度和弹性模量。在屋顶振动、垂直应力应用于煤炭质量是卸载。roof-coal接口的去应力导致巷道中的煤炭质量肋溜进下的巷道水平地应力,导致岩石破裂。岩爆的可能性增加而增加屋顶的强度和厚度在煤炭质量和水平地应力。这种机制解释了采矿巷道岩爆的发生; it provides the fundamental theory for the prevention and controlling technologies of longwall roadway rock burst.

1。介绍

岩爆是一种破坏性的地质动态和突然的灾难,这提示严重威胁煤矿生产。根据记录2510次的数据,超过85%的岩爆发生在地下巷道(1]。最近,一些岩石破裂的严重事故发生在地下煤炭开采行业,如煤炭在弘扬# 3煤矿爆炸事件,Longjiapu煤矿,唐山煤矿。岩爆现象主要发生在长壁工作面巷道,只是提前;也就是说,它是动态应力程度密切相关。岩爆的屋顶煤层通常是厚而硬。岩石破裂后,通常观察到煤炭质量是搬到肋骨的道路作为一个整体,屋顶没有明显的变形或严重损害。

硬顶的地质条件密切相关,岩爆发生在长壁巷道(2- - - - - -7]。煤的因果关系破裂的情况下艰难的屋顶已被许多学者研究[1,3,8- - - - - -12]。锅(1)认为,如果屋顶是坚硬的岩石和地层结构,屋顶打破暴力后,它迅速释放大量的弹性能量存储在系统中,这可能诱发岩爆(1]。根据理论的煤炭质量夹紧由布劳恩(13),煤炭的身体夹的屋顶和地板层。有关岩爆发生条件之一是coal-roof接口或煤炭质量本身满足平衡条件至关重要。针对摩尔-库仑材料标准,基于李普曼(14)认为岩爆作为围岩的结构不稳定;岩爆被认为作为一个静态平衡的过程,和煤层滑脱的屋顶和地板被认为是在发达的岩石破裂模式。

煤炭破裂机制引起的硬顶可以分为两类:稳定的屋顶与静态重载机制和动态加载机制引起的地层移动(15- - - - - -22]。稳态机制是指煤炭破裂引起的快速释放弹性势能积累在屋顶,但屋顶不断裂或变形。动力机制被称为煤破裂引起的动态载荷等强烈的振动和冲击能量,导致屋顶破坏或倒塌。

窦等。23)提出了岩爆原则考虑静态和动态加载的叠加,在静载荷是指原位地应力和矿业activity-induced压力和动态负载是指煤柱的失败,屋顶塌陷,上覆地层运动,断层滑动,等等。然而,在坚硬顶板条件下,他et al。24)分类岩爆分为两类:层间错位或煤炭肋不稳定。李等人。25]相信屋顶屋顶压裂后发生反弹的位置是岩石破裂的震源的事件。谭et al。26)解决弹性和重力势能释放在努力屋顶的裂缝和不稳定导致煤炭质量失败,形成岩爆。王等人。27]解决裂缝的煤岩体在工作面板生成大量的能量和应力波,应力波的耦合效应和地应力导致进一步损害周围围岩的工作小组,最终诱导岩爆。由于屋顶的同谋骨折在长壁开采过程中,巷道岩爆的机制还不清楚。

目前,煤炭的因果关系破裂的情况下硬顶可以分为两种类型:一个着重于屋顶骨折引起的静载荷和其他强调的动态破坏屋顶的冲击波和应力波诱发骨折。因此,相关的机制是不同的。的静态问题,弹性稳定性分析、弹塑性分析、或局部变形通常是使用。对于一个动态问题,冲击波的传播或弹性波在岩石通常是分析。

从结构动力学的角度,我们建立一个因果关系岩爆的力学模型分析的基础上的运动引起的煤岩层顶板断裂提出巷道岩爆的因果机制。

2。主要屋顶破损

地下开挖地下岩体破坏了原有的平衡状态,与上覆地层走向工作面采空区。覆盖层的结构状态和变形行为代表矿业工程研究的一个重要话题。随着煤层强度远低于围岩,屋顶可以认为是有弹性的。因此,一个弹性梁模型建立了研究周期性加权行为的主要基于文克尔弹性模型(屋顶28]。根据弹性梁理论,主要的断裂点屋顶的工作面,弯矩的主要屋顶是最大的,如图1。打破行通常是在工作面前几米,导致围岩的应力再分配。


图1
主要屋顶压裂。

基于研究的挠度变化前后的主要屋顶裂缝,发现屋顶压缩和回弹时的主要屋顶变得支离破碎。屋顶反弹和压缩区域的分布是通过建立岩石梁模型(29日- - - - - -37]。谢et al。38]给出了类似的结果基于弹性边界条件下弹性薄板力学模型。基于弹性边界的假设,也可以发现主要采矿巷道的顶板破坏也进入煤炭质量。

当主屋顶骨折,骨折线之间的距离和工作面(Lc)通常是几米。边界的弹性系数越小,Lc将越大,反之亦然。此外,更大的厚度主要屋顶或顶板岩石的弹性模量越大,Lc越大。

2.1。动态分析的主要屋顶破损
2.1.1。动态模型

根据煤层之间的关系,直接的屋顶,和主要的屋顶,在本文中,我们提供了一个动态模型来描述变形行为的主要屋顶在破碎过程中基于弹性梁理论和有限弹性边界假设,如图2。


图2
长壁的弹性梁模型主要屋顶破损。

模型中,最直接的屋顶和煤层组合是一个弹性的基础和主要的屋顶都被假定为一个弹性梁。基于文克尔理论(39),有限弹性梁之间的关系 在哪里 是梁位移;p(x,t)是动载荷;我是梁的截面惯性矩;E是梁弹性模量;米是梁单位长度上的质量;c的振荡系数的基础;b是梁;和k是基础的刚度。

梁位移的初始条件 是 的条件和无限的距离 是

对于一个悬臂梁,其一端固定,另一端是免费的,斜梁的振动方程

2.1.2。初始条件的屋顶主要振动

建立动态模型的解决方案依赖于边界条件。屋顶图之前和之后的主要断裂如图所示3。图3(一个)显示了屋顶破裂之前。由于暂停了屋顶,屋顶的主要的工作面打算向上移动。图3 (b)显示主要的屋顶在工作面面前变得支离破碎。图3 (c)后显示的状态覆盖层主要屋顶破损。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
主要顶板破坏的过程:(a)在断裂之前,(b)的主要屋顶破损,和(c)主要屋顶破损。

野外观察表明,在主要的屋顶坏了,前面的屋顶工作面向上转移(29日,40- - - - - -44]。谭和杨29日)观察到一个向上位移的几个100毫米包圆煤矿2126工作面,张家口煤矿的E708工作面,# 5煤层工作面临着门头沟区中等煤矿,和大丰煤矿8320工作面。

2.1.3。影响因素主要屋顶振动

影响因素主要屋顶运动弯矩的大小不同顶板破坏的过程和刚度和顶板的煤层。野外观察表明,如果煤层的抗压系数很大,主要的屋顶是相对较软,屋顶的垂直位移反弹主要是小的。在煤层坚硬顶板和高弹性的情况下,主要的大小屋顶反弹位移相对较大。

由于煤层的非弹性性质和屋顶,它们相当于阻尼电阻。即运动的主要屋顶可以简化为自由振动在一定的阻尼电阻。屋顶的振动的影响主要是周期变化的垂直压力直接顶和煤层,这削弱了密闭效应直接顶和老顶岩层的煤层在某个时刻。

假设屋顶的密度是2.7×103公斤/米3,主要的屋顶主要振动频率不同的弹性模量和厚度条件下的数据所示4和5。屋顶的主要振动的频率是在30 Hz。李等人。45还指出,顶板破坏主要是0-50赫兹的频率域通过微震的监控。


图4
占主导地位的屋顶主要振动频率和弹性模量(10 m屋顶厚度)。

图5
主频率的振动与顶板厚度(E= 20 GPa)。
2.1.4。因果关系的采矿巷道岩爆

煤炭块的宽度l在研究了采矿巷道肋,如图6。煤炭块B连接块,但搬到左边的图方便图和描述。假设采矿巷道的高度和煤层的厚度h和N的法向力是roof-coal接口。沿着巷道煤质量单位长度,根据(以下定义为水平方向x方向)平衡, 在哪里σx是煤炭块B的水平应力在煤质量;f1和f2分别从屋顶和地板摩擦;和σT是煤炭块A和B之间的抗拉强度。


图6
应力分析的煤炭开采巷道肋块一分之一。

主要的移动屋顶削弱了围压在roof-coal接口。在严重的情况下,屋顶分开煤层(图7),的部分力量f1 = 0。这时,根据方程(5),岩石破裂的临界状态方程的块 在哪里cc−r和tϕc−r莫尔-库仑煤层底板的属性界面和吗ρ煤的密度。


图7
应力状态roof-coal分离后的块。

凝聚力cc−r在煤层底板界面可以被认为是0,如果存在肋收敛后的道路发展。尽管肋收敛可能不是很好的,肋骨附近的煤层底板接口的凝聚力将减少为0。在这种情况下,方程(6)可以表示为

3所示。结论

煤炭破裂机制发生在长壁道路研究通过建立弹性梁模型。破碎过程的主要屋顶及其效果进行了分析。以下的结论可以得出:(1)顶板的运动显示了自由振动在一定的阻尼电阻。屋顶屋顶振动频率增加而增加,弹性模量和地层厚度。(2)由于屋顶振动,垂直应力应用于煤炭质量降低。存在一个垂直应力卸载区在工作面前。在这种情况下,屋顶的前面工作面打算向上移动,导致屋顶反弹甚至roof-coal分离。它构建了岩爆条件。(3)通过均衡分析肋骨煤巷道的块,一旦roof-coal界面的垂直应力减少,甚至屋顶和煤层分开,地面压力在煤体内沿法线方向的巷道肋肋煤炭块推到巷道生成一个煤矿爆炸事件。(4)屋顶的强度和厚度和水平地应力在煤炭质量的增加,滑移的可能性屋顶和煤层之间的增加和岩爆的概率也增加了。地应力是力源煤炭破裂发生在长壁巷道。

这项研究解释了因果关系的肋骨煤炭质量冲进巷道,它提供了一个理论指导预防和控制措施的煤巷道破裂。

数据可用性

本文的所有数据都包含在这个手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作被辽宁振兴经济共同支持人才项目(批准号XLYC2002110)。