文摘

覆岩采动裂隙是地下煤矿水灾害密切相关。在这项工作中,我们开发一个分析模型,采用概率积分法计算地下和表土地层的沉降。发达的模型,根据采动地层破坏特征的基础上,表达的水平地层的变形是弹性板的拉伸率的中性面反映裂缝起始和扩张的程度。水的分布覆岩断裂区(WFZ)计算用覆岩运动的概率积分函数的方程层拉伸率。该小组31071年Peigou煤矿为例,和水裂缝带的高度(H_WFZ)是由该方法所决定的。传统的经验方法和该方法用于预测H_WFZ在面板与采矿方案,结果表明,该模型是特别有利的倾斜煤层开采倾斜开采规模的逐渐增加,煤层埋藏深度逐渐减少。在这样的情况下,覆岩运动和形变强化和矿业的开采裂缝发展进一步的进展,认为“功能差,传统的经验方法,但用该方法。

1。介绍

采动断裂是一个关键问题在煤矿安全隐患1- - - - - -3诸如水和砂侵入,瓦斯突出,或由于采空区的瓦斯积聚瓦斯爆炸,或工业实践(例如,保水剂煤矿),旨在保护地表生态环境(4]。研究人员已经开发出不同的方法来确定水裂缝带的分布(WFZ)和计算水裂缝带的高度(H_WFZ)。这是最简单和有效的进行现场测试来确定H_WFZ通过现场试验方法(如钻井冲洗液和双端堵水5,6])或地球物理勘查方法(例如,超声成像和并行网络电CT) (7]。然而,实地测试和地球物理勘查有限条件不良时,当时间和金钱成本过高的操作或者当监测数据收集是困难的。实证方法可用于这些具有挑战性的情况下他们避免实验。实证方法建立非线性统计关系之间的多元回归分析H_WFZ和采矿操作变量如顶板岩性、采空区大小、煤层埋藏深度、和矿业面临的速度发展8- - - - - -10]。他们的预测结果更准确时,更多的数据是可用的H_WFZ。然而,由于岩体结构的复杂性,开采条件,地质条件,预测公式可以计算结果不完全符合实际情况。一些研究人员相信水裂缝带的演变(WFZ)煤矿开采引起的岩层破坏有关。影响的关键层位置H_WFZ在屋顶;当煤层的关键层的距离小于临界值,关键层的断裂将发展水流骨折,骨折和同样的覆岩关键层控制的导致同步与关键层破损。理论预测的方法H_WFZ提出了关键层的位置。然而,由于地层结构的复杂性,这些方法已经不再适用时,主关键层小于一定距离煤层。

相似模拟和数值模拟岩层采动裂隙中通常采用的方法来评估中国的煤矿行业。类似的模拟构造地层结构根据相似理论从不同的材料(砂、石膏、石灰等)获得地层运动和岩层采动裂隙演化的适用法律(11]。在相似模拟、实验影响因素有很多,如材料比,湿度模型,加载和边界,裂缝发展和地层失败直接观察到当开挖与模型模拟。其结果往往受实验者的操作而学习,有太多的错误H_WFZ定量。

数值模拟表明覆岩的失败通过评估计算单元的应力状态。确切地说,一系列的控制方程(如displacement-strain strain-stress, stres-strength)是根据弹塑性屈服状态的近似计算元素的挖掘建模(12]。数值模拟是快速、重现性好和消除现场工作,从实验室获得所需的岩石力学参数测试。然而,这些参数主要是根据实验者主观选择的经验。此外,关于煤岩体的失败,数值模拟的塑性屈服缺乏适当的物理意义,并因此不清楚矿业断裂产生的塑料产量可以与水的电导率WFZ煤岩体的塑性屈服状态。

在工程实践中,研究人员主要使用一个或多个上述的方法来研究覆岩的破坏造成的煤炭开采和综合确定H_WFZ从6.5到的50倍,这是矿业的身高和覆岩的岩性有关。然而,我们发现,上述方法的结果为特定的情况下是正确的;如果地质和采矿条件(例如,采空区大小和煤层埋深)变化,结果不会提供一个正确的参考。因此,灵感来自上面的问题,我们意识到,采动裂隙的起始和发展基本上是由覆岩的运动和变形(13- - - - - -16];在这项工作中,我们决定开始破裂准则和岩层采动裂隙通过上覆岩层运动的传播度和上覆岩层变形指数,我们揭示了覆岩断裂的启动机制。这样,我们应用概率积分法对覆岩运动建立分析方法预测采动断裂。当前工作的结果可能有相当大的对煤矿安全生产的影响,因为他们不仅对预测提供理论指导和防止矿井突水等灾害,还提供一种新方法为研究矿业相关骨折骨折领域(例如,瓦斯抽放的保护层开采卸荷岩体和评价)。

2。概念化

在矿业研究覆岩划分为屈服区,断裂带和连续变形区。屈服区和断裂带统称为WFZ因为他们让水从表面或通过含水层。对于任何给定的覆岩,H_WFZ是研究采动断裂的关键。

矿业的影响下,原始裂隙或孔隙裂隙(例如,微孔隙和微裂隙岩体,大规模的骨折,关节,和断裂结构)扩大和相互联系,形成复杂的采矿骨折(17]。在小组推进,上覆地层进行加载,卸载,和压力恢复和裂缝延伸机理涉及剪切和/或拉应力(18]。卸货,断裂表面主要是拉伸,当围压小,和剪切断裂表面越来越占主导地位随着围压的上升(19]。

煤层开采后覆岩是弯曲降低煤、破裂,变形的地层传播从底部到顶部。变形和破坏法律基础岩体的力学行为是复杂的。岩体内的地层在采矿经验水平拉伸变形。图1说明了地层的沉降和水平变形层上方的面板。

在图1外,地层层拐点(煤壁)的一侧有一个积极的水平变形。换句话说,这个地区的地层层拉伸变形。足够大的拉伸变形时,裂纹将通过地层层形成的。由于差异沉降曲线相邻地层的层状骨折形成垂直于层理层在垂直方向发展相邻层之间的紧张关系。附近的煤壁、地层的沉降曲线变化剧烈和分离裂缝很容易形成,从而创建水通道层。层间插入式骨折将共同形成一个WFZ可以严重威胁安全运行的面板20.]。

因为许多差异存在于机械机制和不同应力路径条件下的反应,这是不足以评估岩体的断裂只采动应力场变化的表土。分层和连续结构存在于WFZ和完整的地层沉降区(1),和开发的不规则骨折在岩层的水平方向可以被视为开采后岩层的拉伸变形。因此,地层的水平变形,骨折的主要潜在的驱动程序,可以用来量化裂纹的萌生和扩展。

3所示。数学推导

对二维变形(图2)、下沉、倾斜、曲率的表面和表土地层可以通过概率积分计算功能。水平变形(ε)被定义为两个给定的点的水平位移的速度(A和B)原来的距离,和线变形(ε_年代)被定义为A和B之间的距离的速率变形表面(弧长很容易通过集成)到原来的距离。地下的运动和变形和地层主要依靠水平移动系数(b覆岩中),其变化仍在争议由于有限的研究数据和所涉及的复杂的运动(21]。

地层表面的计算可以被视为一个平面零厚度和地层的运动可以简化为一个弹性板的表面变形。我们假设地层将形成一个曲面上移动,和曲面只有垂直位移 ,不会发生变形x和y方向(图3)。

在图3的微量元素(x,y)层的表面面积年代= dxdy。矿业的影响下,微量元素有一个新的领域年代^′这可以从地表沉陷计算函数 (22]

在图3、水平变形相对较大的下沉盆地的边缘,和骨折贯穿(垂直或斜)地层的地层时将形成拉伸到一定的水平。水平变形可以来自地层表面的变化。具体地说,采动地层的层拉伸率,用ε_年代是增量的曲面面积和总区域的地层变形后,可以来自岩层的下沉函数 : 在哪里 是地层的沉降功能层z在煤层上方的深度。

在计算覆岩运动,地层运动和沉降是分不开的23- - - - - -26]。因此,三个参数的变化必须考虑上覆岩层,即沉降系数问_z,主要影响半径r_z,拐点偏移量年代_z。

半无限开采的主要截面沿x方向,地层沉降在给定的埋藏深度z是(27] 在哪里x_z是水平距离的计算点开采边界,深圳是主要的影响半径的地层的形成,深圳拐点的位移,的最大沉降地层等于米·问(z),米开采高度和吗问(z)的沉降系数地层埋藏深度z。

在方程(3),有三个参数地层的埋藏深度的运动z,也就是说, ,r_z,年代_z。这些参数的函数关系的埋藏深度z可以得到如下(28]: 在哪里H₀是煤层的埋藏深度,z是地层埋藏深度,R沉陷盆地的主要影响半径(R=H₀棕褐色β如果开采影响传播角β),问₀地表沉陷盆地的沉降系数,年代₀拐点的位移在地表沉陷盆地,然后呢n_r,n_问,n_年代是半径指数、沉降系数指数,分别和拐点偏移指数。

用方程(4)- (6)方程(3),沉降曲线 地层的埋藏深度z主要沿横截面x设在可以获得。因此,对矿业在3 d空间任意点的沉降(x,y,z)可以获得地层基础沉降曲线的两个相互垂直的部分: 在哪里l₁和l₂面板的开采规模的罢工和倾斜方向,分别。

在工程和地质条件,需要考虑解决(7),n_r,n_问,n_年代主要是与覆岩的结构特点。断裂的地层形成拉应力下只有当层拉伸率的地层沉降表面达到一定水平。通过这种方式,关键层拉伸率ε′_年代可以用来描述层拉伸率ε_年代当水流骨折形成。基于上述原理分析模型可以简化如下:(1)获得煤矿的地表移动参数,建立了覆岩运动的概率积分函数(2)概率积分函数代入方程(7)获取层拉伸率分布(3)确定关键层断裂拉伸率为起始(4)替代的关键层拉伸率的分布图地层层拉伸率来确定相应的地层地平线和计算H_WFZ

4所示。案例研究:Peigou煤矿

4.1。覆岩运动的概率积分函数

该小组31071年Peigou煤矿作为一个例子。平均开采厚度7.5米,煤层的倾角是15°,面板的长度是1100米,倾斜长度130米,垂直深度的煤层在地下300米处,与综采综放开采方法。因为面板下面Modongwang储层表面上,突水的风险很高。31071面板用作审判矿业矿区31。前面板采矿、观测线的罢工和表面的趋势方向排列(图中所示的面板4),23日的测量表面运动。测量数据是用来获得概率积分函数需要的参数(表1)。

根据(28),半径指数n_r可以确定基于弯曲刚度分布规律

沉降系数指数n_问和拐点偏移指数n_年代计算了幂函数是0.470和0.338,分别。矿区的罢工和趋势方向800米和130米,分别表土地层的沉降功能与不同埋深计算。图5显示了沉降的主要截面沿着倾斜的埋藏深度50岁,100年,150年,200年,250年,分别和270米。

4.2。确定层的拉伸率

层拉伸率ε_年代反映了水力传导率和采动裂缝的扩张程度,它在很大程度上依赖于特定的岩性地层。关键层拉伸率ε′_年代描述骨折不同开采条件下的启动。屋顶倾斜的地板排水巷道钻孔构造面板31131采矿影响之前,和井壁破裂的图片是通过钻孔电视。根据井壁破裂,采动裂缝地层的密度在75米以上煤层开采后显著降低,和H_WFZ是矿业高度的8.6倍。有了这个信息,我们可以用(7)(2)获得的分布层拉伸率和确定的顶部边界WFZ(图6),通过它我们发现关键层拉伸率ε′_年代地层的顶部边界WFZ是0.28%。

4.3。推导H_WFZ面板的31071

从图可以看出6的最大值不同地层的层拉伸率在上上下下双方可以获得主要截面沿倾斜。因此,部分距离400米采矿被计算层拉伸率的分布函数ε_年代(h)│_x=400年在不同埋藏深度。图7显示界面顶部的位置WFZ地层的形成,为ε′_年代由表面计算概率积分函数基于31071年的开采参数面板。

红色的表面图7表示关键层拉伸率ε′_年代。从十字路口的表面分布函数,H_WFZ上坡和下坡一侧可以确定,绘制在图8。H_WFZ发现是83.5和68.4米上坡和下坡一侧,分别为31071年面板倾斜煤层开采。

H_WFZ艰苦的一侧通常是用来评估安全倾斜煤层开采判断水从表面或从地下蓄水层将通过WFZ采空区。因此,H_WFZ31071年面板被认为是68.4米。根据表土地层信息,顶部边界地层在WFZ中等粒度的砂岩地层之间的安全距离和表面应该是211.6米。

4.4。覆岩WFZ的发展

根据上面的H_WFZ面板的31071年,WFZ从地下211.6米以下,有大量的泥质岩层,可以防止地表水进入面板。在实际操作中,发现Modongwang水库的水位仍基本稳定后,面板被开采,顶板涌水量,海拔70米³/ h在矿业是观察到地下水文测站。

的发展WFZ进一步开采煤层被探索。面板31051年和31031年将开采(图9)。因此,WFZ在后续阶段的矿业的发展然后计算。开采宽度是260米和390米的方案2和方案3,分别。方程(2)用于获取层拉伸率的分布函数,和H_WFZ决定从ε′_年代值(图10)。

与一个关键层拉伸率ε′_年代0.28%,煤层水平之间的距离计算地层是132.8米和191.3米为方案2和方案3,分别对应的H_WFZ99.2米和140.8米(图10)。开采覆岩上的影响取决于开采空间的大小,和覆盖范围失败增加随着斜板的开采规模的增长。当矿业沿着倾斜距离增加从130年计划1到390 m方案3中,H_WFZ从68.4米至140.8米长,然后下边界的表面下面WFZ将只有75.1米。有厚的泥岩、砂质泥岩WFZ, WFZ仍然可以隔离液压地表水和采空区之间的通信,以及挖掘操作面板的操作应该是安全的。

为了比较,实证方法也用于评估WFZ的发展。小组31071年的覆岩主要由中、细砂岩,砂质泥岩,泥岩,和其他岩石,砂质泥岩和泥岩层占覆层的总厚度的58%。覆岩的综合评价系数 根据(29日),和上覆岩层的岩性地层Peigou我是很难的。因此,H_WFZ可以计算为中等硬度的岩性 在哪里米是累计开采高度。

对方程(9)和(10适用,单层开采高度必须< 3 m和积累矿业高度必须小于15米。的误差项(9)是一个加号表示,因为完全机械化的采动影响更大比单层开采综放开采。表2WFZ的计算结果进行了比较。

表2结果表明,方程(9)和(10)不是非常不同于方案1中的新方法的结果,但偏差稳步增加开采结束后面板31071和收益为方案2和3。倾斜煤层,矿业的发展,矿业规模倾斜方向逐渐增加,煤层的埋藏深度逐渐减少。因此,覆岩的运动和变形是不可避免地放大,和H_WFZ相应地将增长。不幸的是,传统的经验方法不能揭示WFZ的发展随着矿业的进步,因为他们只考虑煤层开采高度米在他们的预测。因此,他们的预测H_WFZ不同的计划不变,未能真正反映现实。

5。结论

提出了一种新的方法来计算水裂缝带的高度,我和Peigou的案例研究分析了该方法。是得出以下结论:(1)一个开发分析方法来确定H_WFZ利用概率积分函数的表土地层。发达的方法,中性层拉伸率的弹性板的平面特征水平地层的变形研究的起始和发展矿业骨折。(2)作为一个重要的参数提出了计算方法,关键层拉伸率ε′_年代(0.28%)与观察结果确定的WFZ面板31131;作为一个例子,H_WFZ31071年面板由该方法被认为是68.4米。(3)的发展WFZ Peigou矿山评估展示该方法的效用,并演示其优势与传统经验方法。倾斜煤层开采,采空区大小增加,煤层的深度增加,H_WFZ稳步增加从68.4米到99.2米,最终达到140.8米。WFZ在评估,开发方法不仅考虑开采高度也占变量包括矿业大小、煤层埋藏深度、煤层倾角。通过这种方式,该方法可以预测的发展WFZ在工程应用中更可靠和更大的价值。

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

在经济上支持了这项研究贵州省生态地区一流的学科,中国国家自然科学基金(批准号51974105)、基金项目贵州教育部门(肯塔基州[2018]388号),毕节科技基金项目局(G[2019] 1),贵州大学工程科学和基金项目(G2018012)。