文摘
Gob-side条目保留技术与屋顶切割(GERRC)已广泛应用于平板和dell煤层条件,但其应用在倾斜煤层还很缺乏。为了进一步提高GERRC和克服应用困难的应用系统在特殊地质条件下,本文以鑫煤矿43073工作面为例,研究GERRC与上部轻轻倾斜厚煤层巷道。首先,困难上的条目保留倾斜煤层进行了分析,提出了相应的关键技术和系统设计。随后,切割和屋顶上条目保留详细设计根据工作面地质条件测试,和屋顶切割和压力释放效应分析了数值模拟阐述围岩的应力分布和压力释放机制。最后,上面的条目保留现场试验进行验证的可行性和适用性技术和相关的设计。通过现场监测,发现加权一步增加显著,权重强度降低屋顶上有效地削减方面,和减压的效果是显而易见的。同时,最大的屋顶地板收敛是361毫米和双方的最大收缩是280毫米,所以保留条目可以满足重用的要求相邻工作面。
1。介绍
gob-side条目保留长壁开采技术,只有一个条目需要挖掘在工作面采矿和另一个条目是相邻工作面开采期间得到保留。所以节约部分煤柱的技术有优势,减少开挖的条目,和延长矿井寿命1,2]。煤炭资源在当前日益紧张的形势下,这种采矿技术具有较高的研究和推广价值,和相关学者也进行了大量的研究工作3,4]。例如,朱浩田以杨梅的集团的9307工作面为例,成功地实施gob-side条目保留测试,墩柱的方法,和墩柱的变形控制在150毫米(5]。张盛了汤口煤矿9301工作面为例,利用煤矸石、粉煤灰、水泥作为填充材料,成功地实施gob-side条目保留测试固体充填方法(6]。李Youcun带至煤矿21001工作面为例,成功地实施gob-side条目保留测试完全机械化屋顶钢筋屈服面采用条目使用木质栈支持措施,煤矸石袋高预应力锚索,等等(7]。
上面的成就极大地丰富了研究gob-side条目保留技术的理念和实践经验在中国,但仍有许多限制性因素阻碍其广泛应用。首先,充填材料的价格通常是和充填效率高是有限的。第二,回填采空区往往是复杂的过程,这有很大影响采矿和一系列工作(8,9]。为了寻求更有效率、更经济的方式保留,他Manchao教授提出了gob-side条目保留技术与屋顶切割(GERRC)基于短臂梁理论的基础上,现有的研究在2008年(10]。
近年来发展后,GERRC已经成功地测试和推广在很多矿山。太阳小明的南屯煤矿1610工作面为例,研究关键参数的设计方法为gob-side条目保留通过屋顶削减压力释放条件下的薄煤层(11]。张Guofeng需要公告煤矿2422工作面为例,阐述了屋顶的实现过程和匹配的监测方法切割压力释放gob-side条目保留技术(12]。郭Zhibiao需要Jiayang煤矿3118工作面为例,分析了围岩的应力场演化与屋顶压力释放减少数值模拟(13,14]。可以看出,这种技术主要用于dell薄或中厚煤层在现有的研究中,但是应用程序在厚煤层或倾斜煤层的影响仍是不足的,因为岩石压力,入口的支持,采空区充填效果,和其他因素。因此,为了进一步提高该技术的应用系统和克服应用困难在特殊地质条件下,本研究以鑫煤矿43073工作面为例,进行适应性研究的GERRC上轻轻倾斜厚煤层条件下巷道。
2。研究背景
2.1。技术特点
GERRC可以实现自动无煤柱巷道形成屋顶沿着入口切割。技术已成功测试在许多矿山dell煤层条件下(如图1(一))。然而,仍有许多限制该技术的应用条件下的煤层。倾斜煤层条件下的GERRC可分为两种类型,即上、下条目保留如图1 (b)和1 (c)(15]。
(一)
(b)
(c)
其中,难度较低的条目保留,当采空区顶板洞穴,屈服煤矸石将收集沿着煤层的倾角较低的入口方向,这将造成更大的影响煤矸石保留的支持。而上的困难条目保留是煤矸石从采空区顶板崩落积累远离上入口方向,保留条目的煤矸石墙不能形成支撑上覆地层。低入口保留的主要解决方案提高煤矸石的力量保持正常支持和减少屋顶的高度降低,在涪煤矿已成功测试了。然而,上面的条目保留更为困难。屋顶等关键参数切割高度和角度应该相应地调整和支持设计也应适当提高。所以以鑫煤矿43073工作面Longmei集团为例,本文进行了第一次测试的屋顶削减压力释放bob-side条目保留技术上轻轻倾斜厚煤层条件下巷道。
2.2。项目概述
鑫煤矿43073工作面Longmei集团位于第三矿业鹤岗煤田。罢工的工作面长度是400米,倾斜的长度是170米,布局计划如图2(一个)。43073工作面的基本参数如表所示1,顶板岩性柱图如图2 (b),每层的相关参数如表所示2。
(一)
(b)
采用综合机械化开采方法在测试的脸。测试条目辅助43073工作面巷道,和前面的保留部分是380米长的open-off削减。相邻工作面打算使用这个条目保留部分反方向挖掘。相邻的反向采矿工作面临着对条目保留过程没有影响,但条目保留完成后,相邻工作面开采的需要等到保留条目是稳定的,以避免进入采矿造成的损害的影响。
3所示。设计的关键技术参数
条目保留的最大区别倾斜工作面位于外侧积累煤矸石在采空区;即煤矸石将积累方面接近或远离巷道由于倾角的存在。因此,倾斜工作面关键条目保留在于保持巷道煤矸石支持和屋顶切割高度,这将直接影响条目保留的影响。条目保留上层巷道时,煤矸石保留支持减弱和屋顶切割高度增加;当条目保留与较低的巷道,煤矸石保留支持加强,屋顶高度降低。
3.1。屋顶切割设计
屋顶切割设计直接影响条目保留的成功和影响的新技术。合理的屋顶切削参数设计应满足采空区的充填需求条目保留一侧的条件下尽可能节约屋顶减少工作量。正常dell煤层条件下,屋顶切割高度可以根据计算采空区顶板岩石的膨胀系数(16] 在哪里HF屋顶降低高度,米;H米煤层厚度,m;ΔH1屋顶塌陷,米;ΔH2底鼓量,m;K的膨胀系数是屋顶。
根据43073年的屋顶条件工作面,屋顶的膨胀系数1.4作为本研究[16]。没有考虑到顶板沉降和底鼓,屋顶切割高度是根据采矿设计为9.0米高度以上方程。下上面的条目保留过程和倾斜煤层,采空区顶板的煤矸石崩溃将滑离入口留住,所以屋顶切割高度应适当增加。然而,从工作面顶板岩性的列,可以看出有一个厚介质稳定砂岩岩层煤层8.15以上。如果增加屋顶切割高度与1 - 2米,屋顶不仅减少工作量大大增加,而且中砂岩地层的屋顶降低高度增加范围仍难以崩溃,几乎没有意义的充填采空区的条目保留。因此,屋顶的最终设计切割高度维持在9.0米,和采空区充填主要依靠地层低8.15米范围内的屋顶。
屋顶的另一个关键参数设计是切削角。如图1,屋顶的设计切削角在正常情况下应主要考虑两个方面:一是减少摩擦的影响采空区顶板崩落的屋顶上保留条目;另一种方法是减少屋顶切割爆破的破坏原屋顶螺栓电缆支持(15]。的情况下保留上层条目,采空区顶板的煤矸石崩溃将积累远离保留上层条目,所以摩擦在屋顶上切削表面通常是小,屋顶切削角只能设计螺栓电缆保护的支持。总之,根据测试经验,屋顶切削角设计为10°屋顶设计的43073工作面。同时,较小的屋顶切削角还可以切断更大体积的采空区屋顶,可以弥补缺点的采空区充填不足上进入一定程度上保留的一面。
3.2。爆破设计
上条目保留过程轻轻倾斜煤层,屋顶削减仍然需要实现了双向紧张锥形装药爆破技术,技术设备和原理图所示3(17]。单锥形装药管的大小φ36.5毫米×1500毫米,一些管通过连接可以连接和安装袖子根据爆破深度的要求。两边各有一排孔的管,两端的锁槽可以确保管连接和安装时总是面临着一个方向。减少屋顶时,一定数量的爆炸性卷被加载到锥形装药管,然后把它们到屋顶上爆破孔和密封洞。炸药的爆破能量沿锥形装药可以定向传播的方向,就可以形成有效的张力的方向nonshaped能量,和定向紧张就可以形成预裂利用岩体的抗拉能力差。
(一)
(b)
的电荷数量和结构在锥形装药爆炸卷管、爆破孔间距,和爆破孔的数量单开始都应该由现场试验。爆破试验探讨了爆破效果,但没有特殊要求炸药。测试过程如图4(18,19]。首先,进行单孔爆破测试来确定合理的一个洞,和合理的收费应该能够形成有效的裂缝在爆破孔没有崩溃。其次,一个interval-hole爆破试验进行确定合理井距,通常包括300毫米,400毫米,500毫米,600毫米四种类型。在这一步中,每两个之间的窥视孔爆破孔应检查观察渗透裂纹的洞。最后,continuous-hole爆破试验进行确定爆破孔的数量在单一的起始,和主要指数是有害气体浓度在这一步。
(一)
(b)
(c)
通过单孔爆破测试在43073工作面爆破孔的电荷结构设计为43210和密封长度是设计为2米。即,每个爆破孔充满了五个锥形装药管,管底部切为1米长,从上到下的爆破孔,每个管被指控4、3、2、1,分别和0卷炸药。裂纹率的统计分析每米interval-hole窥视孔的爆破测试如图5。可以看出洞崩溃发生在5 - 6米的窥视孔在300毫米间距条件下,裂纹率平均在400毫米,500毫米和600毫米间距条件是87%,82%,和74%,分别。为了减少屋顶切割爆破的工作负载,确保效果,爆破间隔最终选为400米。结合采矿的要求速度和有害气体浓度上限的条目,爆破孔的数量在一开始决心是6孔。共同在窥视孔预裂效果如图6。
3.3。钢筋设计支持
GERRC,入口屋顶需要经历几个障碍,如隧道、矿山、条目保留,和二次挖掘。屋顶的变形通常是大,传统锚索不能有效满足现场的需要支持动态压力和大变形条件下的需求。因此,条目的条目强化支持保留测试在43073工作面恒阻大变形锚杆使用电缆(20.,21]。
恒阻大变形锚杆结构的电缆如图7的支持原理如图8和本构关系和能量模型图所示9(22]。当电缆的张力大于恒电阻值,锚索锁定头可以收回到恒定电阻装置提供一定数量的恒定电阻锚索变形。锚索可以视为理想弹塑性模型组件。当拉力小于恒定电阻的锚索,锚索在弹性阶段: ,在哪里P锚索荷载,刚度系数,x的弹性伸长量。当拉力增加电阻值不变,锚锁展览塑料滑动P=P0,在那里P0是恒定的电阻值。因此,当塑料滑动时,吸收的能量恒定电阻锚索 在哪里x0最大数量的弹性变形和吗x '是总变形量。
(一)
(b)
的主要加固支撑区域保留条目屋顶也是屋顶切割范围,所以锚链的长度应该是1 - 2 m超过屋顶的高度降低。也就是说,锚索的长度在430743工作面使用11米长。根据悬架理论,锚索的支持强度可以根据以下公式计算7]: 在哪里P锚索拉力的;lh条目的宽度;ρd屋顶上是屋顶密度范围。当有几层屋顶上切割范围,然后 在哪里n岩层的数量;ρ我是单层密度;D我是单层厚度。根据43073工作面顶板岩性,计算出ρd= 24.8 KN / m3和P< 261.7 KN / m2。设计,不断电阻值的锚索用于煤矿350 KN;即支持这锚索密度是0.75 /米2至少。因此,设计有三个锚电缆每一行和行间距0.8米上输入强化支持43073工作面。如图10,屋顶的条目遭受强烈的爆破扰动和屋顶屈服,所以锚电缆这边都采用恒阻大变形锚杆电缆;条目的行锚线中间的屋顶是交替安排与普通钢锚索和恒定电阻锚索;煤壁侧入口几乎不会受到干扰的爆破和屋顶屈服,所以锚电缆这边都采用钢锚索。
3.4。煤矸石保留设计的支持
煤矸石保留支持GERRC的特殊联系,和有效的煤矸石保留支持应及时在工作面防止煤矸石涌入保留条目时,采空区顶板崩落[23- - - - - -25]。目前,煤矸石的常用方法保留支持是u形钢+金属网的支持。煤矸石保留支持的压力,压力是最高低条目保留下斜煤层,dell煤层下中间的压力,和压力下的最低保留与倾斜煤层上部条目。u形钢类型用于煤矸石保留支持通常是36 u,和支持通常是500毫米的间距下煤矸石保留支持dell煤层。保持在较低的条目,支持间距应适当减少根据矿业高度和煤层倾角和上层条目保留下,支持间距可以增加适当节约材料消耗。
如图11(一),u形钢支座间距的鑫煤矿43073工作面设计为600毫米。为了确定间距是否合理,安装一个压力传感器之间的u形钢和煤矸石壁测量煤矸石保留支持压力如图11(b),测量结果显示在图12(一个)和场效应煤矸石保留支持如图12 (b)。可以看出,煤矸石的压力保持开始出现在20米背后的工作面和达到峰值0.28 MPa时73。煤矸石的压力保持工作面背后的160后逐渐稳定;即煤矸石墙实际上是逐渐形成的。场效应表明,粉碎煤矸石墙的密度,和u形钢不出现明显的压缩变形,所以煤矸石的设计保留支持是合理和煤矸石墙能有效支持上覆岩层形成的。
(一)
(b)
(一)
(b)
3.5。临时支护设计
GERRC,临时支持包括两个部分:临时支持和滞后临时支持。其中,推进临时支护的目的是为了防止干扰和破坏造成的入口压力集中在工作面前。43073工作面推进临时支持遵循相邻工作面使用的支持模式离开煤柱开采方法。如图(13日)选择DW40-300/110x单一支柱的支持,支持行间距1米,每一行包含三个道具,和支持范围是0 30 m的工作面。
(一)
(b)
落后的临时支持GERRC也是一个特殊的链接。滞后的关键区域临时支持动态压力区,所以这个临时支护的参数可以根据计算的围岩结构动态压力区。如图14,双方保留条目的动态压力区是由煤壁和煤矸石墙,分别和煤矸石墙还没有稳定。其中,T一个块的水平推力;N一个块的剪切力;米一个是块的弯矩点”;TB,NB,米B有相应的意义吗T一个,N一个,米一个分别,但对于块B;米0是直接顶板极限弯矩;x年代的横向宽度极限平衡区煤壁;σ是煤壁塑性区支持;和F2煤矸石是墙的支持。在这方面,煤矸石墙是不稳定的,所以F2很小。特别是在某一地区靠近工作面,F2大约是0。在计算条目时支持力量F1的旋转变形弹塑性边界′的块应考虑首先,和极限平衡区宽度的煤壁和塑料带屋顶的支持力量是(26,27] 在哪里c′和φ′凝聚力和内摩擦角,分别煤层和顶板之间的接口;k一个侧压力系数;k最大应力集中系数;H开采深度;和px煤壁的支持力量。块的应力状态分析了A和B的静力平衡法(26]:
块B: ,然后 ,然后
岩: ,然后 在哪里l横向断裂的基本的屋顶;△年代一个是岩石的沉降点B”;和△年代B是岩石的沉降B在C点”。F1决定如下:
以c = 0.1 MPa,φ' = 18°,K一个= 2,l= 15米,γ= 13,25 KN / m3,px= 0.03,0.04 MPa以上计算,每米的入口屋顶支撑需求是1430 KN。所选单支柱工作阻力300 kN,所以它支持密度是1.04 / m2至少在工作面后面。因此,如图13 (b)上条目保留测试43043工作面,每排滞后临时支持设计为四个单独的道具,行间距0.5米在屋顶削减方面,和其他三行是1米。此外,根据煤矸石保持压力的监测,煤矸石墙背后时趋于稳定工作面临超过160,所以滞后临时支持范围是0 - 160米在工作面至少后面。
4所示。仿真分析的压力释放
基于上述设计,本节首先采用数值模拟软件模拟围岩的应力分布条件下的屋顶切割和压力释放在采矿过程中,预测和分析屋顶切割的影响从理论的观点。
4.1。模型建立
为了验证设计的关键技术参数的数值模拟,在此基础上考虑实际工程条件和简化计算,建立了计算模型为200×210×50 m×Flac 3 d数值模拟软件。在这个模型中,条目开挖面积约200米×4.6米×3.6米,工作面开采规模是100×170×3.6。计算模型如图15厚,包括屋顶约30米,地板约17米厚,1656800网格单元,和1764670节点。每个岩层中引用表的参数2屋顶,切割,没有切割条件模拟,分别比较(28,29日]。
(一)
(b)
(c)
4.2。仿真分析
一节的仿真结果如图16。在没有屋檐下切削条件,有一个明显的应力集中区域的煤壁条目,最大垂直应力为57.8 MPa,应力集中区域是靠近入口墙(约2.0米),这很容易导致煤壁片的不良现象。同时,入口屋顶深受采空区顶板的崩溃,其沉降较大的采空区一边和较小的煤壁一侧,和最大沉降约为2500毫米。然而,在屋顶切削条件下,煤壁的应力集中范围小,最大垂直应力为52.1 MPa,应力集中区域远离入口墙(约4.0米)。此外,屋顶的最大垂直位移条目是1570毫米,这是远远低于没有屋顶切削条件下的最大价值。上述结果表明,屋顶切削能有效切断压力入口屋顶和采空区顶板之间的转移,从而有效地控制变形的屋顶保留条目。
(一)
(b)
此外,b部分的垂直应力分布模拟结果在屋顶切削条件如图17。垂直的应力场的分布特征工作面从图可以看出:(1)垂直应力峰值出现在工作面前,和屋顶上的峰值应力值降低小于没有削减一侧。(2)比较应力分布的煤层采空区的两边,可以看出没有屋顶上的应力集中范围切割边大于,屋顶上的切割边应力集中值也高。
5。现场应用效果
基于上述设计和理论分析,屋顶削减效应的特点,在系统分析了巷道上部,可有效指导现场屋顶切削试验鑫煤矿43073工作面。在测试过程中,条目保留的影响评估工作面临的压力监测和变形监测。相关的监测结果及分析如下。
5.1。压力监测工作面
43073工作面开采及其辅助条目保留上面的设计。有10个GPD60 W煤矿本质安全无线压力传感器分布在工作面监测液压支架工作阻力的变化。支持的序列号安装传感器1,12日,23日,34岁,45岁,56岁,67年,78年、89年和100年。为了分析屋顶削减压力释放的影响,液压支架的工作阻力监测数据没有屋顶附近切割边(1 #支持),中间的工作面(45 #)的支持,和屋顶切割(100 #支持)选为数字(18日)- - - - - -18 (c)进行比较。
(一)
(b)
(c)
统计结果的加权和加权强度步三个典型的支持如表所示3。可以看出加权一步是最短和加权强度最高的工作面。影响屋顶削减压力释放,周期性加权一步条目保留一侧长于没有屋顶的切割方面,和平均增加3米。和周期性加权强度较低在屋顶削减方面,平均强度的降低是1.4 MPa,峰值强度的减少为6.8 MPa。屋顶削减压力释放的影响根据上述分析是显而易见的。
此外,根据监测结果10液压支持,权重的第一步,周期性加权一步,加权峰值强度,平均加权的工作面进行了统计分析。结果如图所示19。
(一)
(b)
可以看出,权重的步骤和加权强度分布规律的工作面符合上述三个典型的分析结果支持,和权重的步骤和强度分布是不对称的影响由于屋顶在条目保留端切割。相比没有屋顶削减方面,周期性加权一步是长和加权强度是较弱的屋顶上的切割边。压力释放的效果是显而易见的从78 #液压支架,所以屋顶的横向影响范围削减大约37.4工作面(单液压支架的宽度是1.7米),越靠近屋顶切割线,更重要的压力释放的效果。更重要的是,影响屋顶切割、条目保留一侧的工作面,液压支架的加权峰值强度比加权平均强度的影响。具体来说,相比没有屋顶削减方面,加权峰值强度的最大释放率为17.5%,加权平均强度的最大释放率是4.1%在屋顶上削减43073工作面。
5.2。条目变形监测
如图20.,进入变形监测使用交叉点方法,线段的长度AO, OC, BO, OD应该每天测量监控部分的条目。变形的条目应该从监测监控部分进入高级临时支持部分直到变形变得稳定。在条目保留和监测过程中,变形是最严重的矿业镜头130和本节的监测结果如图21。
(一)
(b)
根据上述监测结果,可以看到如下:(1)的最终变形巷道底鼓发生保留条目是143毫米,屋顶的最终变形沉降是218毫米,地板和屋顶的最终变形收敛是361毫米。屋顶沉降的变化趋势和底鼓是相同的基本上,地板和屋顶收敛变得稳定当工作面背后的保留条目超过207米。(2)双方的最终收敛变形条目是280毫米。融合主要表现为变形煤壁的早期阶段,然后逐渐压实的煤矸石墙、收敛性主要表现为煤矸石在后者的变形阶段。最后的煤矸石墙侧向变形的是79毫米,最后煤壁的侧向变形是201毫米,和双方的融合变得稳定当工作面背后的保留条目超过226米。保留条目,在本节最后身高在屋顶上切割边是1892毫米和最后的宽度是4320毫米。场效应的条目保留如图22,保留条目足以满足相邻工作面开采的重用的需求。
6。结论
(1)分析上的困难条目保留通过屋顶削减在倾斜煤层条件下,提出了关键技术和系统设计的特殊条件,其中包括五部分:屋顶切割、爆破、强化支持,煤矸石保留支持,和临时支持。(2)以鑫煤矿43073工作面为例,本文GERRC的细节设计与上部入口轻轻倾斜厚煤层条件下,分析了屋顶切割和压力释放效应的数值模拟,并阐述了围岩应力分布和压力释放机制下屋顶切割。(3)条目保留现场试验进行验证的可行性和适用性上的条目保留设计。通过现场监测,发现加权一步增加显著和加权强度减少屋顶上的有效切割;即释放压力的影响是显而易见的。同时,最大的屋顶地板收敛是361毫米和双方的最大收缩是280毫米,所以保留条目可以满足重用的要求相邻工作面。数据可用性
所有数据用于支持本研究的发现可以从Xingen马。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是财务支持的地质力学和地下工程国家重点实验室(SKLGDUEK2020)和中国江苏煤炭破裂研究中心。