文摘

上覆岩层结构中扮演着重要角色在控制屋顶变形nonpillar gob-side条目保留通过屋顶削减。基地的二世632年的实际地质条件在恒源煤矿运输巷道,类似屋顶进行预切的三维仿真实验。此后,屈服特征和迁移规律在罢工和顶板岩层倾斜方向。此外,保留的屋顶巷道和采空区的关键层可以形成一个铰链结构的关键。通过监测围岩的变形和应力分布的屋顶,道路屋顶的倾斜变形特征。通过观察钻孔偷窥技术,确定靠近采空区的顶板沉降大于固体煤的一面,和屋顶沉降gob-side条目保留的屋顶切割大于地面隆起和双方接近。三维相似模拟实验结果表明,机械结构模型的关键块保留巷道屋顶构造,和机械所需的支架阻力的解析解保留巷道顶板。本研究提出了恒定电阻和大变形锚索加固支持方法控制顶板支护巷道的变形。通过工程应用,最大值的屋顶和地板运动保留巷道稳定在大约650毫米。聘请的巷道工作面能够满足未来的需求。

1。介绍

Nonpillar gob-side条目保留通过屋顶削减采矿是一种安全、高效的关键技术在中国煤炭生产。这项技术的应用可以有效地提高煤炭资源回收率,减少煤炭资源的短缺1- - - - - -4]。在实际采矿活动中,上覆岩层运动的屋顶上有实质性影响巷道;的扰动范围上覆岩层破坏和很大的下降,从而导致相当大的屋顶变形过程中保持巷道(5- - - - - -7]。

许多中国学者开展了研究解决屋顶稳定控制的问题gob-side条目保留的屋顶切割无煤柱。Zhang et al。8]分析了顶板断裂结构及其运动和变形规律gob-side条目保留通过屋顶削减的断裂力学模型,建立了双边悬臂梁的低切缝和上弯曲裂缝。苏et al。9]研究屋顶切削的机理和减压gob-side巷道(GR)煤矿深处,和上覆岩层结构和迁移规律,GR在深入研究了煤矿。王等人。10]研究了上覆岩层运动的整个过程self-formed巷道的屋顶切割和压力释放通过物理模拟试验和确定,通过顶板预裂和减少关节,巷道的围岩压力可以有效地缓解,从而控制围岩变形。Zhang et al。11]分析了干扰因素期间“mining-retaining-using”,通过数值模拟和现场测量;围岩的应力和变形特征的重用self-formed全面分析了巷道。他等。12- - - - - -14]使用顶板预裂的机理和在采空区端压力释放的力学模型基础上建立“围岩structure-roadway一边支持身体”不同的屋檐下的位置。他们还提出了围岩控制技术,如锥形装药预裂爆破,恒阻大变形锚杆电缆,和密集的单一支柱在道路的旁边。

华et al。15]分析了基础顶板预裂爆破的断裂机理,建立了基于抗拉强度断裂准则,并确定收费最低定量关系长度和孔间距基本顶板预裂爆破时形成的。杨et al。16傅)煤矿在沈和东胜煤炭矿区为工程背景;屋顶变形规律和机制的过程中屋顶切割gob-side条目的全面研究通过理论分析、数值模拟和现场试验。王等人。17)探讨了巷道矿山压力的行为特征条件下屋顶gob-side条目保留的切割、结构力学模型,“承载结构”和“卸载结构”是建立和分析。张先生和汉18]提出的概念组合gob-side条目保留的承载结构,屋顶压力是共享的屋顶,墙,地板上。高和郭3和马云和他19]分析了围岩结构的演变规律和力学机制gob-side条目保留基于机械机制nonpillar gob-side条目保留通过屋顶削减。研究采空区的充填体的变形机制方面,太阳et al。20.]使用关键块理论为基础建立力学模型的基本顶断裂保持巷道的结构。先前的研究还分析了切削角的影响及裁断高度保持巷道的顶板支护阻力。太阳和张21]分析了围岩的变形和破坏特征,建立了采空区的机械损伤模型支持基于库仑土压力理论。王等人。22]介绍了顶板预裂爆破技术gob-side条目保留的屋顶切割,形成技术支持列煤矸石沿采空区塌陷,并自动形成gob-side入口的概念屋顶倒塌。

郭et al。23]推导出切削角及裁断高度之间的关系通过建立力学模型的上覆岩层结构。他们还确定合理的参数precrack屋顶使用数值计算方法。郭et al。24]研究了屋顶螺栓之间互动关系,托盘,并通过数值模拟和现场螺栓组合。太阳et al。25)确定关键参数影响gob-side条目保留在薄煤层预裂切割高度,预裂切割角度,预裂爆破孔之间的距离通过分析顶板应力状态的过程中薄煤层开采。基于gob-side条目保留技术的原理,Chen等人。26)深入研究了减压作用,围岩应力演化律法,深gob-side条目保留技术的控制技术。元等。27]研究的合理参数gob-side条目保留通过屋顶削减面对完全机械化开采薄直接顶和大型矿业高度通过结合理论分析,数值模拟和现场监测。

先前的研究已经表明屋顶结构的广泛的研究成就,屋顶切削参数,并支持力量gob-side条目保留的屋顶切割。然而,只有很少的研究一直在进行屋顶结构之间的交互的屋顶gob-side条目保留屋顶切割和上覆地层的整体运动。此外,一个二维平面模型通常用于物理实验,和实际的地下活动是在三维空间中。一个三维模型被用来研究一个物理模拟实验平台,可以客观地反映了上覆岩层的运动特征的保留巷道。因此,本研究以二世632运输平巷恒源煤矿为例。进行三维相似模拟物理实验,屋顶结构特点和上覆岩层运动规律的两个维度下罢工和倾向进行了研究。的基础上保持巷道顶板的变形特性,机械结构模型的关键块保持巷道屋顶构造,和机械保持巷道支护阻力的解析解。本研究提出的方法不断的抵抗和大变形锚索加固支护巷道的变形控制顶板的支持。现场应用表明,巷道的影响保持很好。此外,研究结果可以提供理论依据和参考价值的屋顶稳定控制gob-side条目保留通过屋顶削减。

2。实验方案

2.1。项目概述

平均煤层厚度的二世632工作面恒源煤矿3 m,工作面长度是185米,长度是1725.3米,海拔从662−−709 m。回风通道从地面的海拔从596−−760 m,从地面传输通道的高度从637−−778,和道路部分为5.2米×2.6米。的直接顶板工作面从2.25米到4米深灰色泥岩,基本的屋顶从2米到4米厚的浅灰色细砂岩,底部直接从0.4米到1.7米厚的灰色或灰色黑色泥岩,老底部从7.09米到17.10米厚砂岩。岩石力学参数的屋顶和地板煤层如表所示1综合柱状图如图1。

2.2。模型试验方案设计

采用三维应力模型相似模拟试验。实验过程如下。(1)模型的大小是1100 mm×1000 mm×1000 mm,仿真切削角15°,切割高度是8米,和铁丝的相似性比1:100是用来模拟锚杆和锚索(见图2)(2)模拟螺栓直径20毫米,长度是2400毫米,锚链直径是17.8毫米,长度是6200毫米(3)长木酒吧是用来模拟煤层开采,和一个木头条画出每一次模拟煤矿(4)与不同岩性岩层模型是由水和铺设,石膏粉、细河沙,与不同比例和重晶石粉;此外,不同比例的岩石标本满足指定的强度和重量的要求通过室内岩石力学测试(5)在实验中,根据岩层实验模型的大小,首先是基底岩层(6)煤层的铺设是取代了木酒吧、煤层开挖是由提取木酒吧;每个木酒吧的规范l×B×H= 1000毫米×50毫米×30毫米(7)奠定了试验模型时,薄塑料薄膜嵌入提前减少巷道顶板的煤层,塑料薄膜和垂直方向之间的夹角是15°,和塑料薄膜的大小l×B= 1000毫米×80毫米(8)煤层上方的岩层是为了根据大小的模型,在铺设过程中,塑料不得的角度变化,这种方法使用在年底前覆层的铺设(9)当模型是静止的大约10天,外板模型的挖掘需求得到满足时将被删除(10)模型表面涂上白色涂料、位移观测线和位移观测点排列,应变计和应变仪连接,数据终端调试,然后下一个挖掘实验进行(11)每次沿走向的工作面,木酒吧吸引了模拟开采煤炭的刀,总共20刀开采,也就是说,工作面推进100,每一刀被允许站2 h(12)一群应变仪嵌入式在巷道上方的屋顶直接40毫米,和每个应变片的间距为200 mm,如图3;保留的屋顶巷道的应力变化在采矿过程中观察到的

3所示。运动定律在采场上覆地层

3.1。运动定律表土工作面沿倾斜

当工作面进步10米,如图4(一),少量的屋顶沉降开始出现在道路之上,床分离裂缝出现在4米和8米以上的直接顶板煤层,屋顶和基本处于稳定状态。当工作面先进20 m,如图4 (b),直接在采空区顶板岩层的崩溃,和屋顶关键块的切割缝的巷道坍塌在保留屋顶切割线,从而切断上方的屋顶之间的物理连接巷道和采空区的屋顶。此外,屋顶的巷道和采空区的屋顶失去机械约束。

当工作面先进到45米,如图4 (c),保留关节向上发展,合作领域不断拓宽。垂直微裂隙切割缝附近出现,煤矸石在采空区逐渐压实上覆地层的运动。采空区倾向于产生大面积的弓骨折,和基本的屋顶上面会出现明显的分离层。一块相对稳定的岩石铰链结构保留巷道上方形成,和稳定的铰链结构的过程中扮演着重要的角色控制屋顶保持巷道的稳定性。

先进的80工作面时,如图4 (d)进一步,采空区压实屋顶的重量的作用下岩石和轴承的压力。此外,上部地层的分离价值减少,和屋顶显示明显的弯曲和沉降变形,从而形成一个弯曲区。最后,在上部地层垂直裂缝继续发展。

煤层开采模拟的过程。近距离煤层开采过程中,摄影是用于监控上覆地层的活动。四组测点设置高度4米,8米、13米,18米的煤层屋顶。不同层的顶板沉降曲线如图所示5。

当工作面先进20 m,首次直接屋顶倒塌。在初始阶段的工作面,屋顶沉降很小,采矿活动对上覆地层的运动的影响微乎其微,位移逐渐变化,趋势是trough-shaped位移曲线。在煤层4米高的屋顶,屋顶倒塌在10米和50米距离open-off削减,最大沉降是2.5米。

当工作面先进45米,如图6的直接顶板工作面完全崩溃。工作面顶板沉降变化的,6号煤层坍塌的屋顶在10米和50米距离切孔高度在4米。此外,最大沉降是大约2.8米。

3.2。上覆岩层的运动规律沿走向的工作面

图7显示,当工作面先进20 m,采空区的屋顶是暂停,工作面上方直接屋顶的面积逐渐增加。当工作面先进30米,裂缝出现在屋顶5米和8米以上煤层。此外,采空区的屋顶落后于临时支撑区域逐渐开始下沉。当工作面先进45米,采空区上方的屋顶直接崩溃第一次冒顶高度7米,屈服一步距离是40米。上部地层裂缝的基本屋顶进一步发展和扩大,这些裂缝明显扩张的趋势。80工作面推进时,屋顶显示第二个大面积坍塌现象,和崩溃发生20米以上基本的屋顶,这是一个弓骨折。随着工作面继续进步,广场崩溃发生时,顶板沉降变形很严重,屋顶和横向地层相互铰接的下降,从而形成一个砌体梁结构。100工作面推进时,采空区破碎煤矸石是进一步压缩,和屈服层上覆地层的采空区顶板逐渐增加。

图8显示,当煤层先进到45米沿着它的攻击方向,屋顶坏了8米以上煤层20 m - 40 m远离open-off削减。屋顶的最大沉降发生4米以上煤层和50米距离open-off削减,最大沉降是大约1.8米。没有明显的屋顶塌陷13米,18米,23 m地层上覆采场。先进的85工作面时,大面积的塌陷发生在工作面,和煤层上方的屋顶沉降减少逐渐增加焊缝位置。较低的层的最大数量60米远离open-off减少2.6米。位移的变化逐渐在采空区的中间。从75到85米距离open-off削减,表土的工作面采空区上方一个铰接结构形式,从而减缓了表土沉降。最后,最大沉降约1.5米。

3.3。巷道围岩的变形特征

井眼偷窥者放置20米远离open-off减少巷道观察内部留存巷道的围岩变形(见图9)。当工作面先进20米,屋顶塌陷发生在采空区,底鼓是微不足道的。当工作面先进到45米,靠近采空区的顶板沉降是显而易见的。当工作面先进到80米,最大的屋顶塌陷是大约10毫米,显示倾斜变形,靠近采空区的顶板沉降大于煤柱的一面。在开采期间,屋顶塌陷gob-side条目保留的屋顶切割大于底鼓巷道墙壁的来临。

3.4。巷道顶板压力的分布规律

通过嵌入的应变计,巷道上方的屋顶压力变化,如图10。当它是20米到40米的工作面,应力大幅增加。约20米远离工作面,巷道的顶板压力达到峰值,这是一次性开采的影响区域。结果表明,矿山压力从50米到80米的工作面往往是温和的,和压力的波动幅度很小。因此,温和的地区受到第一个矿业发展的影响。此外,结果表明,清廉m工作面滞后的压力减少,而60 m工作面滞后增加。注意,落后的距离工作面从20米到6 0 m由于一次性开采的影响。

4所示。机械的分析铰链屋顶的关键块切割和释放压力

依法表土破坏和迁移分析的三维相似模拟实验,保持巷道的屋顶是骨折的固体煤的屋顶gob-side条目保留整体旋转产生沉降。因此,关键块的铰链结构,形成共同携带负载的上覆地层。后保持巷道的屋顶旋转下沉,形成的关键块的铰链结构的屋顶保持巷道的围岩和支架阻力保持巷道一起形成一个稳定的结构,从而形成一个稳定的结构,如图11。在这个图中,F_年代固体煤方面的支持力量,kN;Fm的抗战道路,kN;煤矸石的支持力量,kN;x₀是固体煤的塑性区范围,m;B是巷道的宽度,m;煤矸石的行动范围支持力量,m;h煤层的高度,m;h_f直接顶的高度,m;h_d降低高度,m;β°是切削角;l_我是关键块的断裂长度B, m;F_h屋顶的重量直接和关键块B;和θ关键块的转角B。

4.1。最终打破关键块的长度Bl_我

折线理论指出,当保留道路旁边的采空区定期崩溃,上方的关键块的破碎长度保留巷道屋顶l_我如下(28]: 在哪里年代工作面长度,m,然后呢l顶是最基本的一步,m。

4.2。支持煤矸石在关键块的采空区

当长悬臂切断形成短悬臂,过程中保留的关键块B巷道顶板将沉没和连续压实的煤矸石联系保持巷道顶板,煤矸石的压缩关键块的旋转下的采空区B是△u。整个关键块B的铰链压力轴承结构形式的关键块从一开始沉没,沉没的释放。支持的力量单位面积上的煤矸石的采空区如下(28]: 在哪里的支持系数屈服煤矸石、MPa / m;K_c是残余压膨胀系数倒塌的煤矸石压实后,可以确定根据模拟试验或现场测量;K_年代是破碎顶板岩石的膨胀系数;h_f是直接屋顶高度,m;和θ是保留了巷道顶板的旋转角度。

此后,根据公式(1)- (3),支持力量采空区煤矸石的关键块B如下:

极限平衡区宽度的表达式x₀煤炭的身体在保持巷道如下(12]: 在哪里一个侧压力系数;p_x煤壁的支持力量,MPa;h巷道的埋深,m;c₀是煤岩体的粘接强度,MPa;δ煤体内摩擦角,°;γ上覆地层的平均密度,kN / m³;k是应力集中系数;和h巷道的高度,m。

4.3。支持固体煤方面的力量f_年代

关键块B产生断裂的位置在侧挡煤巷道弹塑性界面。支持的力量f_年代固体的煤在关键块如下(29日]: 在哪里φ₀内摩擦角的顶部和底部之间的接口板,°。

4.4。支持道路一侧的力量支持

关键块的水平推力B如下: 在哪里问₁是基本的单位长度重量屋顶及其负载,kN;h_f的厚度基本的屋顶,米;和△u是岩石的沉降块B, B′, m。

静态平衡法是用于分析关键块C。

从这个公式 ,

从这个公式 ,

从这个公式 ,

结果如下:

从这个公式 ,

结果表明,巷道的支护阻力方面如下: 在哪里F_米巷道的支护阻力。

公式(13)显示,当固定在固体煤巷道顶板断裂,保持巷道处于一个稳定状态的屋顶自身结构和支持力量的作用下固体煤壁侧和积极支持抵抗。条件下,保持巷道的支持力量屋顶结构和固体煤是固定的,屋顶变形控制主要是实现了锚索提供的支撑阻力增加。因此,不断的抵抗和大变形锚索用于加强保持巷道的屋顶。

5。围岩的变形控制Gob-Side条目保留通过屋顶削减

5.1。支持参数和控制技术Gob-Side条目保留的屋顶

根据三维相似模拟实验的结果和理论分析,结合工程背景二世在恒源煤矿632工作面,主动和被动加强支持的关键技术在巷道提出保留,如图12。屋顶是由螺栓的直径Φ20毫米,长度2400毫米,竹节钢筋,间隔750毫米,800毫米的行间距,锚索Φ17.8毫米直径,长度为6200毫米,1300毫米的间距,行间距1600毫米,M3钢带,5.0米×1.0米钢网。矿业发展的影响区域,恒阻大变形锚杆电缆支持和单一支柱支持。恒阻大变形锚杆直径的电缆Φ21.8毫米,长度是9500毫米。三行排列。之间的距离不断的抵抗切割缝端的锚索和屋顶切割线是500毫米,行距离是1000毫米。第二行之间的距离不断的抵抗锚索和屋顶切割线排距离是1600毫米和1500毫米。之间的距离不断的抵抗在固体煤端锚索和煤壁排距离是3200毫米和1500毫米。三排单柱子排列沿巷道部分,以及推进支持范围是40米。两排单柱子后面添加150工作面,u形钢和金属网作为脉石保留在采空区的支持。 After the retaining roadway is stable, the single passive support is removed.

5.2。顶板控制效果的分析Gob-Side条目保留通过屋顶削减

验证的顶板控制效果nonpillar gob-side条目保留由屋顶切割、巷道的围岩变形的保留沿采空区500米在II 632运输观察槽。此外,调查站提前安排每50米工作面100;屋顶和地板使用十字形测点位移测量方法。和五个观测站安排在交通持续观察巷道变形槽,如图13。一位矿业发展的影响范围是42米,屋顶和地板的变形是相当严重,屋顶沉降增加从32毫米到114毫米,地面起伏增加从30毫米到102毫米,和增加屋顶和地板收敛从52毫米到216毫米。影响范围的巷道保留一次矿96工作面。屋顶和地板的变形是最严重的在这个范围内,和我的行为是明显的压力。屋顶和地板方法增加从216毫米到650毫米。屋顶和地板的变形率小巷道的影响阶段保留的一个采矿、变形速率是16毫米至28毫米在严重的变形。

分级的情况下支持在不同的阶段,二世632年的最大的屋顶和地板运动传输网关稳定在大约650毫米。通过现场摄影,如图14,巷道围岩的稳定性好。据统计,支持分级方法在不同阶段可以满足工作面安全生产的需要并取得显著的经济效益。

6。结论

(1)通过三维物理模拟实验,得到了以下结果。倾斜的方向,垂直裂缝出现在上覆岩层切割关节;基本的屋顶倒塌,倒塌的时候,上覆地层的巷道和采空区地层的形成一个相对稳定的铰链关键块结构。罢工的方向,屈服层逐渐增加;水平冒顶地层相互铰接形成一个稳定的砌体结构。(2)巷道围岩的变形监测表明,巷道变形倾斜的屋顶,屋顶塌陷附近采空区煤柱大于的一边,地板和屋顶沉降大于胀,双方的方法。的屋顶巷道应力达到峰值时大约20米远离工作面,和落后的距离工作面受一次性矿业从20米到60米。(3)通过相似模拟实验,后形成稳定的铰链关键块结构的基本屋顶覆坏了。通过构造铰链关键块的力学模型结构,机械保持巷道顶板支护阻力的解析解。结合恒源煤矿的实际地质条件二世632年和常量阻力和大变形锚索提议,屋顶钢筋的方法和支持有效地控制保留巷道顶板的变形。(4)根据现场测量,保持巷道的屋顶的最大沉降屋顶大约是360毫米,保留的地板的最大底鼓巷道大约是290毫米,而保留煤柱巷道没有取消之间工作的脸;此外,它可以满足使用要求的未来矿业的脸。

数据可用性

用于现场测量的数据可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

作者承认金融支持这项工作由中国国家自然科学基金(批准号51774010)。