原始研究的文章

前面。地球科学。,30January 2023
秒。构造地质学和构造
卷10 - 2022 | https://doi.org/10.3389/feart.2022.1097551

研究上覆地层的变形控制下协调充填开采厚煤层在含水层中

忆南向么 ^1、2, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

Pengfei江³*, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

南周^1、2和

Erbao杜^1、2

¹国家重点实验室的煤炭资源安全开采,中国矿业大学和技术,徐州,江苏,中国
²矿业学院、中国矿业大学和技术,徐州,江苏,中国
³煤矿分公司、中国煤炭研究所,北京,中国

煤炭资源的开采和水资源的保护往往反对,这个矛盾更加突出厚煤层的开采上覆岩层变形控制的难度。基于厚煤层的开采条件下的主要含水层煤矿在中国西北的缺水地区,提出了短壁机械化协调充填开采厚煤层(SCFM)。整体结构的应力分析组成的顶部和底部板、煤柱和填料在采矿过程的每个阶段,short-walled工作面长度适合这个煤矿是派生的,和采矿的关键参数的三个锅的矿井设计领域。分析结果表明,最大拉应力的敏感性在屋顶工作面长度比的填充率的情况下short-walled工作面安排。当设计煤矿工作面长度为40 m和填充率是95%,可以控制上覆岩层裂隙发育高度58.45米,整个检索区三盘区。验证了井下注入方法的要求不导电的含水层是使用SCFM满意后。本文的研究具有重要意义实现安全、高效回收煤炭资源和水资源保护下强烈的多水岩层。

1介绍

其固有的特色,煤炭资源仍将是一个重要的能源供应在未来一段时间,但由于其禀赋特点和采矿方法,大多数煤矿面临的问题大量的地下水开采引起的损失和生态环境损害的活动(Zhang et al ., 2014;风扇et al ., 2019;姚明et al ., 2020)。对生态脆弱地区水资源稀缺、地下水位下降后由于破碎含水层开采将使表面的生态破坏更加严重,,目前回填采矿被广泛使用作为一种绿色矿业,保护地下水资源的丧失所带来的矿业的影响(沈et al ., 2021;Zhang et al ., 2021)。然而,它更难以控制的表土厚煤层开采,和传统的充填采矿方法往往面临着覆控制效果和采矿效率之间的矛盾。太长工作面将导致可怜的上覆岩层控制,而太短会影响挖掘效率(温家宝et al ., 2019;Tai et al ., 2020;陈et al ., 2022)。因此,SCFM技术提出了控制上覆岩层变形的大小减少工作面充填体,它提供了一种新方法为“节水矿业”(气et al ., 2019)。系统研究的影响因素下厚煤层开采上覆岩层变形的含水的接缝和建立SCFM参数的设计过程对提高安全具有重要意义下厚煤层开采的含水的接缝和保护地下水资源。

针对充填开采厚煤层在含水层,邓小平et al。(2017)提出了一个向上的充填采矿方法切片longwall-roadway巩固了回填,和研究巩固了回填材料的压缩性能与不同的混合比例和固化时间。厚煤层的回采率、安全性大大提高了充填开采含水层下分层巷道(邓et al ., 2017)。温家宝et al。(2022)比较分析了传统的长壁开采和长壁充填开采厚煤层,粘贴等关键参数,获得开采厚度和填充率突水临界状态下(温家宝et al ., 2022)。白et al。(2018)专注于回填采矿的影响下浅厚煤层控制地下水流失和减少地表沉陷,并获得最优的比例回填材料和泥浆浓度(白et al ., 2018)。

研究液压破裂带的发展高度回填采矿、徐et al。(2022)提出了一种新的方法water-preserved煤矿采用连续采矿和部分填充,多种因素的影响,研究水裂隙带发展高度的层次分析法,并建立预测模型(徐et al ., 2022)。李et al。(2017)测量和数值分析了输水断裂带在完全机械化的发展固体充填开采含水层下,提供设计依据完全机械化固体填充(李et al ., 2017)。Zhang et al。(2020)研究短块充填采矿方法的控制效果的发展水裂缝和地层运动,建立了水流断裂带的机械开发模型,并推导出水流的发展高度断裂带(Zhang et al ., 2020)。王(2015)研究了法律的输水覆岩断裂发展Wangerville回填采煤方法,它提供了帮助,确定合理的开采参数对回填水体下采煤(王2015年)。

总之,有很多分析和参数设计的上覆岩层控制效果的长壁充填和巷道挖掘,但缺乏研究短壁工作面协作充填采矿和控制上覆地层变形和裂缝的发展,尤其是SCFM的设计和开发水裂缝带的高度与整个地区矿业为研究背景。

本文要求的安全开采煤炭资源和水资源保护强烈的含水地层,SCFM控制上覆岩层变形的研究内容,提出了在回填采矿和上覆岩层的变形特点详细分析了为类似矿山提供参考,实现煤炭资源安全开采和水资源保护。

2短壁机械化充填采矿技术协调

2.1工程背景

研究矿井位于甘肃和陕西两省交界处的黄河流域,这是一个富煤缺水地区。我的设计生产能力5.0吨/,主要矿业是4^#煤,平均埋深925.17米,平均煤层的厚度是6.67米。厚煤层,其中大部分可以开采,结构简单。煤水双重资源的分布在中国和煤层与含水层的分配研究矿山所示图1 a, B,分别。总共有8含水岩层上覆岩层的煤矿,其中洛河组是一个强大的含水层含水层,它有一个伟大的对煤矿生产的影响。根据已经开采出来的第二个面板(具有相似地质条件与第三小组)监测数据显示,平均水位蓄水层的上层部分的漯河形成采矿期间下降了34.95米,最大涌水量的工作面达到3499.8米³/ h,变化曲线所示图1 c, D。因此,它是非常紧急的改变现有采矿方法和采矿技术参数和开发一套适合在强含水层开采厚煤层在我这。

图1

图1。我的基本信息,(一)中国煤水双重资源分布图,(B)图煤层与含水层的赋值,(C)工作面涌水曲线图表,(D)含水层的水位变化曲线的上部分漯河的形成。

2.2短壁机械化充填开采相协调

在应对严重涌水工作面在这个煤矿的生产,给矿井安全生产带来的问题和水资源保护的方法下的厚煤层SCFM强烈提出了含水的接缝。普通综采工作面长度根据不同煤厚度通常是100 - 200米,比一般完全机械化开采面临SCFM长度较短,通常少于100米,上覆岩层变形的控制有一定的影响,可以更有效的限制与高水材料填充上覆岩层变形空间(王et al ., 2016;李et al ., 2017;邓et al ., 2020)。所示图2,SCFM一定数量的工作面临着一个矿业周期(5工作面临为例图)。第一步是建立一个生产系统和完成采矿CT301第一的脸。第二步是开始挖掘CT303脸后间隔煤柱(即。,CT302 face) at a certain distance from the first face already mined, and at the same time to fill the CT301 already mined. Step 3: Repeat the above steps after spacing the coal pillar (i.e., CT304 working face) by a certain distance to mine CT305 working face while filling the mined CT303 working face. Step 4: When the mining cycle reaches the designed number of working faces, fill the last working face and start back mining the skipped working faces (i.e., CT302, CT304 working faces) in the order of mining and filling as above until the whole cycle is completed. For the entire mining area, the mining area can be divided into several mining cycles and steps one through four can be repeated to complete the entire area.

图2

图2。SCFM技术的原理图。

3上覆岩层变形控制的关键因素

煤层开采后上覆岩层变形和裂缝发展的工作面主要受煤层开采高度等因素的影响,工作面大小、采空区充填率、岩性结构、煤层埋深、地质结构(刘et al ., 2018;冯et al ., 2021)。矿业的高度通常是由煤层的赋存状态,和大小的工作面和采空区的充填率成为主要可控因素。为了直观地分析的主要可控因素的损害充填煤矿面临的屋顶,屋顶的应力模型建立的SCFM分析其应力特征。

我研究,推进长度是由煤层的赋存条件。在大多数情况下,它是大于1000 m。直接顶板的厚度和上覆地层主要的屋顶是大约5米,和短壁工作面长度通常少于100米,初步估计是50 - 100米,根据薄板的定义模型,短墙脸的长度25 - 400可以被视为薄板模型(李et al ., 2014;冯et al ., 2017)。的屋顶短壁机械化充填采场的覆层可以被视为一个薄板模型,和填充材料被认为是一个弹性的基础。为了确保它不会打破的约束条件下工作面大小和充填体,它可以被视为一个四面夹紧板支持的高层支持的岩石上面层和填充下面的身体。建立了弹性薄板的力学模型如图所示图3。

图3

图3。在SCFM屋顶的简化力学模型。

短壁机械化充填采场的屋顶变形的共同约束下工作面尺寸和灌装的身体。根据弹性力学薄板问题的解法,内力问题转换成薄板挠度方程的解决方案。弹性薄板的挠度方程表面表达的双重正弦级数计算:

w (x, y) = \sum_{米 = 1、3 \dots}^{\infty} \sum_{n = 1、3 \dots}^{\infty} {一个}_{米 n} 罪 \frac{米 π x}{l} 罪 \frac{n π y}{l} (1)

的公式,l的长度是工作面推进方向;l的长度是工作面;一个_锰的广义坐标弹性薄板的弯曲表面。该系统由采场顶板和弹性地基被视为一个整体,通过虚功原理来解决:

w (x, y) = \sum_{米 = 1、3 \dots}^{\infty} \sum_{n = 1、3 \dots}^{\infty} \frac{\frac{l l}{米 n π^{2}} 4 问 + \frac{n π}{l} l E_{米} + \frac{米 π}{l} l F_{n}}{\frac{l l π^{4}}{4} D {(\frac{米^{2}}{l^{2}} + \frac{n^{2}}{l^{2}})}^{2} + \frac{k l l}{4}} 罪 \frac{米 π x}{l} 罪 \frac{n π y}{l} (2)

公式中系数的弯矩米(x),米(y)的形式E_米和F_n傅里叶级数, $\{\begin{array}{l} 米 (x) = \sum_{米 = 1、3 \dots}^{\infty} E_{米} 罪 \frac{米 π x}{l} \\ 米 (y) = \sum_{n = 1、3 \dots}^{\infty} F_{n} 罪 \frac{n π y}{l} \end{array}$ ;D抗弯刚度;问是均匀的负载。根据弹性模量的意义,填充率和弹性地基系数,我们可以解决弹性地基系数的方程的充填体作为一个矿区的填充率的函数 $k = \frac{σ_{0}}{h_{1} (1 - φ)}$ ,在那里 $σ_{0}$ 初始压力对煤层, $h_{1}$ 是开采的煤层厚度, $φ$ 是矿区的填充率。用k为情商。2,弯矩表达的傅里叶级数出现在固定的边缘,和相对应的平面应力组件板是情商。3。用弯矩米(x),米(y)傅里叶级数的形式为情商。3情商,最大拉应力。4在屋顶上,在其中 $σ_{x}$ , $σ_{y}$ 和 $τ_{x y}$ 屋顶的拉应力在吗x和y方向和剪切应力分量分别对应于屋顶。

\{\begin{array}{l} σ_{x} = \frac{12 米 (x) z}{h^{3}} \\ σ_{y} = \frac{12 米 (y) z}{h^{3}} \\ τ_{x y} = \frac{12 米 (x y) z}{h^{3}} \end{array} (3)

\{\begin{array}{l} σ_{x t 米 一个 x} = \frac{6 米 (x)}{h^{2}} = \frac{6}{h^{2}} \sum_{米 = 1、3 \dots}^{\infty} E_{米} 罪 \frac{米 π x}{l} \\ σ_{y t 米 一个 x} = \frac{6 米 (y)}{h^{2}} = \frac{6}{h^{2}} \sum_{n = 1、3 \dots}^{\infty} F_{n} 罪 \frac{n π y}{l} \end{array} (4)

为了控制屋顶没有裂缝,临界条件 $\{\begin{array}{l} σ_{x t 米一个 x} \leq [σ_{t}] \\ σ_{y t 米一个 x} \leq [σ_{t}] \end{array}$ 必须满足。弯矩的系数米(x),米(y)表达的傅里叶级数可以解决:

\{\begin{array}{l} \sum_{米 = 1、3 \dots}^{\infty} \sum_{n = 1、3 \dots}^{\infty} \frac{\frac{l l}{n π^{2}} 4 问 + \frac{米 n π}{l} l E_{米} + \frac{米^{2} π}{l} l F_{n}}{\frac{l l π^{4}}{4} D {(\frac{米^{2}}{l^{2}} + \frac{n^{2}}{l^{2}})}^{2} + \frac{σ_{0} l l}{4 h (1 - φ)}} = 0 \\ \sum_{米 = 1、3 \dots}^{\infty} \sum_{n = 1、3 \dots}^{\infty} \frac{\frac{l l}{米 π^{2}} 4 问 + \frac{n^{2} π}{l} l E_{米} + \frac{米 n π}{l} l F_{n}}{\frac{l l π^{4}}{4} D {(\frac{米^{2}}{l^{2}} + \frac{n^{2}}{l^{2}})}^{2} + \frac{σ_{0} l l}{4 h (1 - φ)}} = 0 \end{array} (5)

根据地质条件SCFM面临第三小组的矿山、煤层的平均厚度为6.67米,平均倾角8°。的基本屋顶上覆地层是细砂岩,抗弯刚度D是1.64×10¹²N·m,弹性模量E14.3的绩点,泊松比吗μ是0.3,厚度h是3.79米,长度吗l375米的工作面,工作面长度的确定。上覆地层的均布荷载的基本屋顶问计算是0.17 MPa。为了简化板的计算模型中,前两个术语代表的傅里叶系数固定边缘弯矩和代入上面的参数选择解决傅里叶系数E₁,E₃,F₁和F₃相应的弯矩:

\{\begin{array}{l} E_{1} = - \frac{(660.37 \times (6.89 \times 10^{14} l^{4} φ - 3.51 \times 10^{16} l^{4} + 1.81 \times 10^{20.} l^{2} (φ - 1) + 8.60 \times 10^{25} (φ - 1))}{1.29 \times 10^{14} l^{4} φ - 4.33 \times 10^{15} l^{4} + 1.30 \times 10^{19} l^{2} (φ - 1) + 2.54 \times 10^{24} (φ - 1)} \\ E_{3} = \frac{(220.12 \times (3.06 \times 10^{15} l^{4} φ + 4.50 \times 10^{15} l^{4} + 9.77 \times 10^{20.} l^{2} (φ - 1) + 6.05 \times 10^{25} (φ - 1))}{1.29 \times 10^{14} l^{4} φ - 4.33 \times 10^{15} l^{4} + 1.30 \times 10^{19} l^{2} (φ - 1) + 2.54 \times 10^{24} (φ - 1)} \\ F_{1} = - \frac{2.07 \times 10^{21} \times (20992年 l^{2} φ - 1.72 \times 10^{5} l^{4} + 1.30 \times 10^{9} l^{2} (φ - 1) + 9.11 \times 10^{13} (φ - 1))}{(1.29 \times 10^{14} l^{4} φ - 4.33 \times 10^{15} l^{4} + 1.30 \times 10^{19} l^{2} (φ - 1) + 2.54 \times 10^{24} (φ - 1))} \\ F_{3} = 0 \end{array} (6)

用情商。6为情商。4最大拉应力之间的关系,屋顶和工作面长度和填充率。为了直观地分析之间的关系的最大拉应力屋顶,两人,情商。7进一步处理和卷入图4。

\begin{array}{l} σ_{t 马克斯} = \frac{34.03 l^{2} (6.89 \times 10^{14} l^{4} φ - 3.51 \times 10^{16} l^{4} + 1.81 \times 10^{20.} l^{2} (φ - 1) + 8.60 \times 10^{25} (φ - 1))}{1.29 \times 10^{14} l^{4} φ - 4.33 \times 10^{15} l^{4} + 1.30 \times 10^{19} l^{2} (φ - 1) + 2.54 \times 10^{24} (φ - 1)} \\ + \frac{11.34 l^{2} (3.06 \times 10^{15} l^{4} φ + 4.50 \times 10^{15} l^{4} + 9.77 \times 10^{20.} l^{2} (φ - 1) + 6.05 \times 10^{25} (φ - 1))}{1.29 \times 10^{14} l^{4} φ - 4.33 \times 10^{15} l^{4} + 1.30 \times 10^{19} l^{2} (φ - 1) + 2.54 \times 10^{24} (φ - 1)} \end{array} (7)

图4

图4。最大拉应力影响因素的屋顶,(一)屋顶的最大拉应力之间的关系和工作面长度和填充率,(B)填充率,(C)长度的工作表面。

从分析图4一可以看出,当填充率为90%,屋顶的最大拉应力降低从6.75到1.25 MPa在减少工作面长度从90到30米,和降低率达到81.48%。当工作面长度是90米,屋顶的最大拉应力降低从10.19到6.75 MPa的过程中减少填充率从30%提高到90%,减少33.95%。很容易知道屋顶的最大拉伸应力在短壁机械化充填开采工作面更敏感的长度工作面采空区的充填率,即,工作面长度的屋顶上的最大拉应力更大的影响力。

从分析图4 b, C可以看出,屋面板的最大拉应力随充填率的增加,但减速率是受工作面长度的影响,和关键的价值大约是60米。当工作面长度大于60米,增加填充率的影响最大拉伸应力的减少屋顶上更明显,这影响工作面长度的增长而增加。当工作面长度是60米,70米,80米和90米,最大拉应力减少屋顶对应充填率从30%到90%的增加33.95%,分别为25.61%,18.52%,和8.40%。相比之下,屋面板的最大拉应力降低很少随着填充率的增加,当工作面长度小于60米,甚至基本上仍然是不变的。

同时,屋顶的最大拉伸应力的增加显著增加,工作面长度的填充率。然而,当填充率很低,屋顶拉应力与工作面长度变化显著,增加减慢逐渐随着填充率的增加。当采空区的充填率为60%,70%,80%和90%,最大拉伸应力的增加相对应的屋顶工作面长度的增加从40 m - 90 m是352.38%,328.57%,290.48%,221.43%。

总之,短壁机械化充填采矿的布局下的脸,屋顶的最大拉伸应力的敏感性,工作面长度比填充率。开采参数的设计过程中,工作面长度应被视为主要因素控制顶板裂缝的发展,但必须使用填充预防裂缝的发展由屋顶的缓慢变形引起的。

基于弹性地基系数4工作面设计

它可以看到从上面的部分的长度工作面在控制中扮演着重要角色的最大拉应力屋顶SCFM的主要控制因素。根据SCFM的操作过程,将五个工作面临单一矿业循环为例,相互作用的应力分析系统组成的煤的身体,充填体和屋顶在每个挖掘步骤执行。很容易知道,上覆地层的变形一直是由三个矿业单位控制当前矿业的脸,左和右邻矿业受灾地区。因此,工作面长度的设计原则是,三个工作单位的顶板控制范围应大于应力集中区域。当固体煤是恢复了填充,屋顶和充填体的结合形成一个耦合体系的应力和变形。为了方便分析,这三个操作单位被视为基础与弹性系数不同的协同作用,共同控制顶板沉降。

在一个矿业循环,整体结构的承载能力由屋顶和地板,煤柱和充填体的上覆地层与开采的工作面不同阶段的状态。下面是一个分析的三个基本结构中形成一个矿业循环,然后结合的不同状态的整个采矿期间煤柱及充填体进行了分析。

(1)结构1:

结构1由充填体及其两个相邻面临工作,其应力状态作用下的屋顶和地板所示图5。充填体阶段的压实和沉没了,和小弹性地基系数导致两个相邻工作面临的压力上升。三个单位之间的关系,建立了屋顶的弹性地基理论,如情商所示。8。

2 \int_{0}^{l_{1}} k_{1} w_{1} (x, y) d y + \int_{l_{1}}^{l + l_{1}} k w_{2} (x, y) d y = 问_{2} (2 l_{1} + l) (8)

图5

图5。图1结构应力分析。

的公式,k₁煤柱弹性地基系数的单位;k相当于弹性地基系数;问₂是煤柱和充填体的负载;w₁和w₂是单位煤柱及充填体的变形;l₁的长度是工作面开采;l的长度是开采的脸。

解决情商。8、工作面长度之间的关系和弹性地基系数可以表示为:

l_{1} = \frac{E_{0}}{问_{2} h_{1}} \int_{0}^{l_{1}} w_{1} (x, y) d y (9)

的公式,E₀充填体压缩弹性模量;h₁是填满身体的高度。

(2)结构2:

2是由两个结构填充的身体夹工作面开采。的作用下结构的应力状态2屋顶所示图6。开采的工作面暂时变成了主轴承体结构在这个阶段,和压力明显增加。三个单位之间的关系,建立了屋顶的弹性地基理论如情商所示。10。

2 \int_{l_{1}}^{l + l_{1}} k w_{2} (x, y) d y + \int_{l_{1} + l}^{2 l_{1} + l} k_{1} w_{1} (x, y) d y = 问_{2} (2 l + l_{1}) (10)

图6

图6。结构2应力分析图表。

通过求解情商。10、工作面长度之间的关系和弹性地基系数的结构两个可以表示如下:

l_{1} = \frac{E_{0}}{问_{2} h_{1}} \int_{l_{1} + l}^{2 l_{1} + l} w_{1} (x, y) d y (11)

(3)结构3:

所示图7,第三个结构是一个工作面开采+两个不对称的尸体,也就是说,双方的填充区域的大小不一致,导致非对称的应力增加工作面开采。三个单位之间的关系,建立了屋顶的弹性地基理论如情商所示。12。

\int_{l_{1}}^{2 l_{1} + 2 l} k w_{2} (x, y) d y + \int_{2 l_{1} + 2 l}^{3 l_{1} + 2 l} k_{1} w_{1} (x, y) d y + \int_{3 l_{1} + 2 l}^{3 l_{1} + 3 l} k w_{2} (x, y) d y = 问_{2} (3 l + 2 l_{1}) (12)

图7

图7。3结构应力分析图表。

解决情商。12、工作面长度之间的关系和弹性地基系数可以表示为:

l_{1} = \frac{E_{0}}{问_{2} h_{1}} \int_{2 l_{1} + 2 l}^{3 l_{1} + 2 l} w_{1} (x, y) d y (13)

SCFM的工艺流程,可以看出不同开采阶段在整个开采期间矿区的结合上述三个条件。结合上述三个条件,不同阶段的应力条件在整个开采过程,然后工作面长度的影响对弹性地基系数,以及合理工作面长度的距离l₁和l可以分析。根据弹性地基系数和力平衡条件,以确保压力出现在一个合理的范围内,之间的间隔距离第一个和第五个矿业面临分别(14)- (18)。

l_{1} = \frac{E_{0}}{问_{2} h_{1}} \int_{0}^{l_{1}} w_{1} (x, y) d y (14)

l_{1} = \frac{E_{0}}{3 问_{2} h_{1}} [\int_{0}^{l_{1}} w_{1} (x, y) d y + \int_{l_{1} + l}^{2 l_{1} + l} w_{1} (x, y) d y + \int_{2 (l_{1} + l)}^{3 l_{1} + 2 l} w_{1} (x, y) d y] (15)

l_{1} = \frac{E_{0}}{4 问_{2} h_{1}} [\int_{0}^{l_{1}} w_{1} (x, y) d y + \int_{l_{1} + l}^{2 l_{1} + l} w_{1} (x, y) d y + \int_{2 (l_{1} + l)}^{3 l_{1} + 2 l} w_{1} (x, y) d y + \int_{3 (l_{1} + l)}^{4 l_{1} + 3 l} w_{1} (x, y) d y] (16)

l_{1} = \frac{E_{0}}{3 问_{2} h_{1}} [\int_{0}^{l_{1}} w_{1} (x, y) d y + \int_{l_{1} + 3 l}^{2 l_{1} + 3 l} w_{1} (x, y) d y + \int_{2 l_{1} + 4 l}^{3 l_{1} + 4 l} w_{1} (x, y) d y] (17)

l_{1} = \frac{E_{0}}{2 问_{2} h_{1}} [\int_{0}^{l_{1}} w_{1} (x, y) d y + \int_{l_{1} + 5 l}^{2 l_{1} + 5 l} w_{1} (x, y) d y] (18)

从上述分析弹性地基workface间隔距离表达式的每个恢复步骤,可以看出当时的压力是最大的第四个复苏的操作和workface间距的最高要求。和填充区域的结构组成和工作面开采的大小随工作面。当工作面长度不一致,更有利于释放压力的支持,但它将在开采过程产生负面影响。为了平衡的要求上覆岩层控制和协调生产过程,提高开采效率,最高的距离要求workface间距被选为workface长度。替换的具体参数研究我在第二节,并考虑一定的安全系数,得到顶板控制范围的三个操作单位大于应力集中区域的长度时第四恢复操作的脸是40米。

5 SCFM覆盖层渗透系数裂缝发展

5.1上覆岩层渗透系数骨折峰值点分析

覆岩通常出现崩溃,断裂、弯曲等特点从下到上检索煤层后,和发展高度的破裂带与上覆岩层含水层是否可以直接相关(进行苗族et al ., 2011;刘et al ., 2017)。岩石地层的断裂区保持原始层状态的特点,但硬岩层在这个范围内很容易断裂和裂纹,使渗水现象,而软岩地层具有良好的韧性和允许大变形,有水的渗流屏障效果好(谢et al ., 2021)。破裂后的坚硬顶板下一边,共同作用下的应力释放和上面的软弱岩层中,上覆岩层的断裂可以解除。临界破坏高度软岩层的上覆岩层层被认为是发展的峰值点水流骨折(刘et al ., 2019;李et al ., 2021)。

软岩层弯曲和被两边的煤壁的支持,和临界断裂位置与煤壁之间的跨度。当跨度大,软岩的最大曲率发生高于煤壁的一侧。当跨度小,软岩的最大曲率发生正上方中间的矿区。摘要软岩层视为一个固定梁模型,如图所示图8后,上覆岩层裂缝发展的峰值点的整个时期SCFM进行了分析。

图8

图8。坚实的支撑梁的力学模型上覆软岩层。

固定梁的弯曲挠度方程模型是:

w_{3} = {一个}_{1} (1 + 因为 \frac{2 π x}{l_{1}}) + {一个}_{2} (1 + 因为 \frac{6 π x}{l_{1}}) + \dots + {一个}_{n} (1 + 因为 \frac{(2 n - 1) 2 π x}{l_{1}}) (19)

的公式,w₃和l₁是固定梁的挠度和跨度分别在上覆软岩地层。的有效载荷问₃,弹性模量E₂和惯性矩我来z轴的软弱地层上覆地层分别带进情商。19获得:

w_{3} = \sum_{我 = 1}^{n} \frac{问_{3} l_{1}^{4}}{{[(2 n - 1) 2 π]}^{3} (2 n - 1) π E_{2} 我} (1 + 因为 \frac{(2 n - 1) 2 π x}{l}) (20.)

基于固定梁的变形挠度曲线获得以上,固定梁的最大挠度采场覆岩模型是:

{w_{3}}_{马克斯} = {w_{3}|}_{x = \frac{l_{1}}{2}} = \frac{4 问_{3} l_{1}^{4}}{π^{4} E_{2} 我} = 0.041 \frac{问_{3} l_{1}^{4}}{E_{2} 我} (21)

与此同时,固定梁的旋转角方程:

θ = \frac{d w_{3}}{d x} = \sum_{我 = 1}^{n} \frac{- 问_{3} l_{1}^{2}}{{(2 n - 1)}^{3} π^{3} E_{2} h_{2}^{3}} 罪 \frac{(2 n - 1) 2 π x}{l_{1}} (22)

固定梁的曲率方程是:

\frac{1}{ρ} = \frac{d^{2} w_{3}}{d x^{2}} = - \sum_{我 = 1}^{n} \frac{6 问_{3} l_{1}}{{(2 n - 1)}^{2} π^{2} E_{2} h_{2}^{3}} 因为 \frac{(2 n - 1) 2 π x}{l_{1}} (23)

的公式,ρ的曲率半径是软岩层。软岩地层条件下的弯曲变形,曲率半径越小,也就是说,曲率越大,拉伸变形越大。因此,曲率方程的最大值的固支梁层软岩的情商。23这个职位可以获得和变形(通常2毫米/ m)仍然可以维持整个软岩层的完整性,即可以获得关键的跨(赵et al ., 2018;李,2019)。容许极限跨度的条件下软岩地层最大水平变形为:

l_{1} = \frac{2 E_{2} h_{2}^{2}}{375年 问_{3}} (24)

上下边界的距离的软煤层的顶板岩层是输水裂缝的高度发展,这个位置是在不同位置的峰值点的输水裂缝发展。

5.2上覆岩层断裂在整个地区复苏的条件下发展高度

我的倾斜方向的第三个面板是超过1000,和第二和第三板的边界距离第三和第四板的边界是罢工方向约700米。面临工作的数量和采矿规模的罢工应该根据允许的设计发展方向的高度上覆地层水断裂。的发展高度水流骨折还必须满足控制要求完成后整个地区的矿业。

第三个面板是漯河的主要含水层形成含水层,和主要的不透水层是停顿的形成不透水层。通过钻井数据的分析,可以看出,有效时间间隔的厚度煤层顶板和漯河的下边界形成含水层是100 m,并进行“与”操作形成不透水层的厚度约为35米。考虑一定的安全系数,它被认为是安全控制覆岩断裂的发展高度在65米。上覆软岩层的分布在第三小组所示图9。

图9

图9。上覆岩层的力学参数三个面板。

根据上覆岩层变形和裂缝的高度发展的我不能超过65米,得出第九层上覆地层砂质泥岩层软岩是至关重要的。条件下获得的临界跨临界拉伸变形是允许的最大开采宽度后整个矿业第三小组。通过情商。25,负载问₃第九层软岩为0.78 Mpa。

{(问_{3})}_{k} = \frac{E_{2} h_{2}^{3} \sum_{k = 1}^{年代} h_{k} γ_{k}}{\sum_{k = 0}^{年代} E_{k} h_{k}^{3}} (25)

替代的实际参数软岩层的第九层上面的情商。24根据要求和设计固定梁的宽度固体支撑梁的高度和高度是1/10-1/12 1/2-1/3跨度,和负载线路负荷沿跨度方向,并采取的最大跨度200米和一定的安全系数。罢工距离之间的整个矿区边界煤柱在第三小组是693米。可以看出,第九层软岩将被摧毁,整个矿区开采后产生裂缝。因此,根据前面的分析,第三小组设计如下。

所示图10,罢工的长度的三片式区域研究我大约是700米,远远超过临界的200 9日软岩层,所以关键的200作为矿业循环,其中每个工作面长40米,分为5个工作的脸。为了确保表土变形裂缝发展仍在控制范围内开采范围增加,后一个工作面长度的距离之间间隔两个相邻矿业周期,以便循环完成整个潘地区复苏的设计工作,计算上覆岩层水力裂缝发展高度是58.45米。

图10

图10。三片式的参数设计图区域的我的。

为了验证的实际开发高度液压断裂带在整个地区已经提到,2个月后完成灌装和re-mining三锅,当液压裂隙带发育完全的最大高度,钻井站点之间的联络道路设置辅助运输巷道和运输巷道在停止线以外的第一个矿业面临的三个锅,构造和倾斜钻孔的方向采空区。钻孔1^#到3^#勘探钻孔,避免落区和穿透斜到一定高度高于预期的裂隙带的顶部边界。钻孔4^#是钻斜向的煤柱锅面积和是一个比较不受采矿钻洞。1 - 4钻孔的参数^#所示表1。每个部分的单位时间内漏钻孔测量的方法分段注水倒孔,和开发水裂缝带的高度分析了泄漏的变化。井下布局和泄漏单位时间内所示图11。

表1

表1。钻井设计参数。

图11

图11。向上孔分段注水方法,(一)井下布局,(B)单位时间水渗漏损失和钻孔垂直高度直方图。

所示图114,每个部分^#对比井眼不同大小的泄漏,注水泄漏的变化范围2.1 - -6.7 L / min,钻井深度的50 - 68和110 - 113区间,相应的垂直高度41 - 55.8,90.2 - -92.6 m泄漏显示两个小山峰,泄漏时间间隔平均达到5.64升/分钟。对比的漏孔的存在反映了主要裂缝和一定的渗透率和伤心不吸水,当岩层和感动。岩石的主要裂缝和吸水层Zhiluo含水层的地层进行“与”操作的不透水层形成的结和漯河形成的低含水层大于其他岩层。净渗漏可以通过减去相应的第四节的泄漏^#背景的单位时间内泄漏孔1 - 3的每个部分^#钻孔,以降低主要断裂造成的误差。

1 - 3的最大单位时间水损失^#水井远远大于4^#比较的水井。最大的值是34.6升/分钟,25.4升/分钟和27.9 L / min,分别和相应的垂直高度是60.9米,58.2米和55.8米,分别。它可以看到从1的直方图^#单位时间内孔泄漏,当垂直高度小于19.5米,相应的泄漏并没有太大的区别于4^#对比,表明本节中的岩层可能不会被摧毁或压实密度区域。在垂直高度19.5 - -60.9米,泄漏显示了指数上升趋势,直到达到最大。本节应进入输水断裂带,差距是发达,岩体受损。60.9米的垂直高度后,漏孔深度的增加迅速降低。65.5米的垂直高度后,泄漏已经跌破10 L / min。减去4泄漏后的净渗漏^#对比孔平均小于5 L / min。这表明输水骨折引起的矿业的发展后小的垂直高度60.9米。

2的单位时间内泄漏^#和3^#洞迅速增加到峰值的垂直高度分别为41米,35米,断裂带和距离是远比1^#洞。和泄漏量减少到10 L / min接近77.1米和73.5米深(对应于一个垂直高度63米)在两个洞,大概是含水的结层Zhiluo形成和water-insulating层进行“与”操作的形成。这表明裂缝的发展已经停止下面的防水层进行“与”操作组,和一个比较后者的部分泄漏的泄漏孔2中单位时间内达到顶峰^#和3^#,即,the leakage in the water barrier of the Anding Group, with the leakage in this section in the comparison holes also shows that the hydraulic fissures have not continued to develop upwards.

总之,通过综合分析泄漏单位时间1 - 3^#测量钻孔和4^#比较水井,可以看出发展高度的测量值的水力裂缝区在整个区域的三锅后复苏更符合计算值,主要发展稳定组的底部的水障碍和停止,没有一个超过安全液压裂隙带的高度65米。

6结论

(1)模型的力量的屋顶上SCFM脸成立研究两个主要控制因素的影响,即工作面和加密速度的大小,在屋顶上的回填煤矿的脸。结果表明,最大拉应力下的屋顶短壁工作面布置更敏感的长度比填充率的工作面,所以工作面长度应该是矿业的设计参数的主要因素控制顶板裂缝的发展。

(2)基于弹性地基系数、工作面长度的设计在一个采矿周期。整个SCFM过程总是被视为控制上覆地层的变形过程由三个矿业单位当前矿业的脸,左和右邻矿业受灾地区。三种基本结构组成的充填体、煤炭的身体和屋顶构造中形成一个采矿周期。以五个工作面临为例,每一步的压力在一个矿业循环进行了分析。结果表明,第四步开采周期的最高要求工作面间隔。当一个工作面长度的设计为40米,屋顶三个工作单位的控制范围大于应力集中区域。

(3)以研究煤矿为工程背景,SCFM工作面的布局在整个地区的三个面板设计,和开发的高度的输水断裂条件下整个矿区的计算是58.45米。通过倒孔注水开采方法,验证,实际开发高度开采和充填后水流骨折是计算值接近,并且都超过安全高度65米。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。

作者的贡献

YY,埃德写了手稿。PJ和新西兰修订后的手稿。YY,进行了田间试验。YY, PJ,新西兰的构思,进行数据分析。

资金

这项工作是由中国矿业大学的研究生创新计划和技术(批准号2022 wlkxj048)。

确认

作者想扩展他们的供应商在这项研究中,使用的材料和他们的感谢那些提供支持这项研究,包括CUMT和煤炭矿业分公司、中国煤炭研究所。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

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关键词:水保护采矿、短壁机械化协调充填采矿、上覆岩层变形、裂缝发展、工程设计

引用:周姚明Y,江P, N和杜E(2023)研究上覆地层的变形控制下协调充填开采厚煤层在含水层中。前面。地球科学。10:1097551。doi: 10.3389 / feart.2022.1097551

收到:2022年11月14日;接受:09年12月2022;
发表:2023年1月30日。

编辑:

Yun张西安科技大学,中国

审核:

Baoxu严西安科技大学,中国
Xuesheng刘,山东科技大学,中国

*通信:Pengfei江,jiangpengfei@tdkcsj.com

原始研究的文章

研究上覆地层的变形控制下协调充填开采厚煤层在含水层中

1介绍

2短壁机械化充填采矿技术协调

2.1工程背景

2.2短壁机械化充填开采相协调

3上覆岩层变形控制的关键因素

基于弹性地基系数4工作面设计

5 SCFM覆盖层渗透系数裂缝发展

5.1上覆岩层渗透系数骨折峰值点分析

5.2上覆岩层断裂在整个地区复苏的条件下发展高度

6结论

数据可用性声明

作者的贡献

资金

确认

的利益冲突

出版商的注意

引用

本文是研究课题的一部分

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