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Discontinuous Modelling of Stratum Cave-in in a Longwall Coal Mine in the Arctic Area 总被引：1，自引：1，他引：0
Mahdi Shabanimashcool Lanru Jing Charlie C. Li 《Geotechnical and Geological Engineering》2014,32(5):1239-1252
This paper presents a discontinuous numerical approach for studying roof cave-in mechanisms and obtaining the required support capacity of longwall shields in a case study site, the Svea Nord coal mine in Svalbard. The block size in the roof strata and the mechanical parameters of the discontinuities for the numerical model were obtained through back-calculations. The back-calculations were conducted with a statistical method of design of experiment. Numerical simulations revealed that voussoir jointed beams are formed before the first cave-in occurs. The maximum deflection of a roof stratum in the study site prior to the first cave-in is about 70 % of the stratum thickness. The maximum span of the roof strata prior to the first cave-in depends upon the in situ horizontal stress state. The roof beams have a large stable span when they are subjected to high horizontal stress; but horizontal stress would increase the possibility of rock crushing in deflected roof beams. The simulations and field measurements show no periodic weighting on the longwall shields in the study site. Stiff and strong roof beams would result in large first and periodic cave-in distances. As a consequence of having large cave-in distances, the longwall shields must have high load capacity, which can be calculated by the presented numerical approach. 相似文献
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蒙陕深埋矿区属于新开发矿区,煤炭开采扰动下水文地质特征仍不清楚,基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题,其中工作面回采过程中和回采结束后的涌水变化特征研究处于空白,给井下排水系统设置和防治水工作开展增加了难度。为查清工作面回采前后的全生命周期涌水量演化规律,开展顶板含水层分布、导水裂隙带发育、涌水量变化等方面的实测研究。结果表明:煤层顶板地层均属于河流/河湖相沉积,空间上呈含隔水层互层状展布,隔水层的主要岩性为泥岩、砂质泥岩;受控于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的单斜构造,含煤地层高程在蒙陕接壤区最低,其顶板侏罗纪煤系含水层属于区域性地下水滞流区。煤层顶板地层在中生代沉积旋回作用下,发育了3层直接充水含水层,其中直罗组七里镇砂岩(Ⅰ号含水层)距离3-1煤层顶板77.4~109.4 m,呈富水强、水压高的特点;导水裂隙带实测高度为103.4 m,裂采比18.8,工作面回采过程中导水裂隙带将发育至Ⅰ号含水层。工作面回采前期,随着导水裂隙带向上发育沟通不同含水层,采空区涌水量呈阶段性增加,工作面回采至300 m左右,采空区涌水出现第一个峰值;工作面回采中后期,导水裂隙带持续周期性发育,导致顶板含水层破坏范围不断扩大,采空区涌水量仍呈台阶式增加;工作面回采结束前后,采空区范围内顶板导水裂隙带发育最强烈、范围最大,出现采空区涌水量最高值;工作面回采结束后,在其顶板隔水层中泥质组分的自弥合作用下,隔水层逐渐再造,导水裂隙宽度变窄、数量变少,采空区涌水量“缓坡式”衰减(每小时几十立方米以内)。对工作面涌水量实现全生命周期演化规律掌握,可以为蒙陕深埋矿区井下工作面防治水工作提供科学依据。 相似文献
3.
Microseismic studies associated with a longwall coal mining operation are described. The mine under study was located some 600 ft. below surface. Seismic events associated with controlled roof failure, and with stress development in both the roof and adjacent pillars were monitored by a seven-station near-surface array. The studies were carried out over a 6-month period during which the longwall face moved horizontally some 800 ft. below the area defined by the seismic array. Brief details are presented of the mobile monitoring system and the analysis techniques employed. Typical results obtained during the study are discussed along with suggestions for improving future studies of this type. 相似文献
4.
The paper presents an innovative numerical approach to simulate progressive caving of strata above a longwall coal mining panel. A proposed Trigon logic is incorporated within UDEC to successfully capture the progressive caving of strata which is characterized by fracture generation and subsequent propagation. A new damage index, D, is proposed that can quantify regions of both compressive shear and tensile failure within the modelled longwall. Many features of progressive caving are reproduced in the model and found to fit reasonably well with field observations taken from a case study in the Ruhr coalfield. The modelling study reveals that compressive shear failure, rather than tensile failure, is the dominant failure mechanism in the caved strata above the mined-out area. The immediate roof beds act like beams and can collapse in beam bending when vertical stress is dominant or in beam shear fracture when horizontal stress is dominant. The proposed numerical approach can be used to guide the design of longwall panel layout and rock support mechanisms. 相似文献
5.
以工作面进入平行空巷、回撤通道时顶板超前破断、巷道被掩埋、支架压架的事故为研究对象,通过相似模拟试验对比了工作面过不同宽度空巷、充填与否时围岩破坏特征、应力变化和支架载荷变化,展现了工作面过大断面空巷基本顶超前破断及其灾变演化过程。研究表明：超前破断会导致基本顶一次性破断长度增加、上覆亚关键层同时破断。一旦发生超前破断,现有支护技术很难避免压架,故预防出现超前破断最为重要。鉴于此,运用Winkler地基梁理论对基本顶中弯矩和挠度进行了计算,解释了试验中围岩破断特征、支承应力和支架载荷的变化,给出了基本顶超前破断的机制：煤柱失稳是导致出现超前破断的主要因素,提高煤柱强度有利于预防超前破断。据此提出了局部注浆充填技术使煤柱由单轴压缩变为三轴压缩,提高煤柱支撑能力,并在现场实践中得到了验证。 相似文献
6.
石膏矿开采多采用房柱法,其蠕变特性对采空区稳定性有重要影响。以荆花石膏矿为背景,利用RC-2000微机控制岩石三轴蠕变试验机,结合具体工程情况,对荆花石膏矿岩进行围压分别为0、2.5、5.0、7.5 MPa的蠕变试验。分析了所得的蠕变试验数据,选取合适的模型对试验曲线进行拟合,利用等时应力-应变曲线簇法求得在不同围压下的长期强度。分析可知,荆花石膏矿蠕变包含衰减蠕变和等速蠕变2个阶段,轴向应力较小时只出现衰减蠕变,轴向应变增大到一定程度时将出现衰减蠕变和等速蠕变2个阶段。选择西原模型对试验曲线进行拟合结果表明,西原模型能较好地描述石膏矿的蠕变力学特性,拟合相关系数R均大于0.9;在不同围压情况下长期强度与蠕变强度的比值为0.89～0.95,即围压对长期强度的影响不大。研究结论能为石膏矿采空区的稳定性分析提供依据。 相似文献
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文章在分析采矿型崩滑灾害发育特征的基础上,得出西南煤系地层山区地下采动型崩滑灾害常发生在层状碳酸盐岩与碎屑岩地层组成的褶皱翼部和核部的陡崖带上,与地形地貌、地层结构与地下采矿工程活动等因素关系密切,并指出薄矿层开采诱发大型山体崩滑灾害的具体过程:①采空后覆岩顶板塌落—覆岩顶板离层,采空区上覆岩层内部及层间自下而上应力传递;②地下水运移通道形成,并加快更大范围岩体结构破坏及扩展,加速了岩体结构面的松动与破坏;③上覆岩层不均匀沉降导致坡脚压裂,山体大型岩体结构面逐渐拉剪或压剪变形扩展,最终山体发生累积损伤与大规模崩滑灾害。此外,传统经验公式的计算方法对此类采矿型崩滑灾害已不适用,建议开展西南煤系地层山区地质结构与地下采动诱发崩滑灾害的相互作用关系、薄矿层采空区上部山体累积断裂损伤—岩体松动、裂隙扩展-岩溶管道流、裂隙流变化的链式响应机制、地下采动型崩滑灾害评价方法等关键科学问题的研究,以推动采矿型地质灾害防灾减灾工作的发展。 相似文献
8.
宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。 相似文献
9.
J. F. T. Agapito S. J. Mitchell L. A. Weakly 《Geotechnical and Geological Engineering》1985,3(3):195-213
Summary Stability in Exxon's Colony Pilot Mine in the Piceance Creek Basin, Colorado has been monitored by periodic pillar stress determinations and roof to floor convergence measurements since 1971. Pillar failure has caused marginal stability in some areas of the mine. Measurements taken during the process of failure provided valuable information on thein situ pillar strength and long-term behaviour of the mine structure. Four pillars were reinforced by 32 mm (1.25 in.) diameter tensioned grouted bolts to increase long-term stability in the northern area of the mine. Stability of this area is necessary because future plans envisage its use as an exit/access and ventilation exhaust.Computer analyses were performed to help evaluate the effect of pillar reinforcement on long-term stability. Results indicate that bolting is particularly useful in stabilizing failed pillars, but its effects are significant only in the immediate area of the pillar. The projected significant decrease in deformation of two extensively failed pillars near a main entry indicates that bolting reinforcement will assist the long-term stability of the opening. 相似文献
10.
以埋深为6～13 m的某浅埋人防隧洞为研究对象,应用快速拉格朗日有限差分程序（FLAC）对不同跨距、不同岩性的隧洞顶板在不同荷载作用下的破坏规律及破坏机制进行数值模拟研究,确定了隧洞围岩破坏域,并对拱顶敏感块体进行跟踪分析。研究结果表明：隧洞跨距为2 m且顶板岩层为泥岩时,隧洞顶板有一定的承载能力,当上部荷载达到0.7 MPa时隧洞才破坏;隧洞跨距为3 m且顶板岩层为泥岩时,当上部荷载达到0.33 MPa时,隧洞就已经破坏;隧洞顶板为卵石层时,即使上部不施加荷载,在自重应力的作用下,隧洞亦破坏。该研究对类似的浅埋地下工程围岩稳定性分析具有实际意义。 相似文献
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深井蠕变地层钻井液密度优化技术 总被引：6，自引：0，他引：6
深部地层盐岩钻井是钻井工程中的重大技术难题之一。由于盐岩性能的特殊性,当钻开井眼后盐岩蠕变,常造成井眼失稳、卡钻、固井后挤毁套管等事故,给钻井带来重大经济损失。结合山东胜科1井钻井工程,对深部地层盐岩及软泥岩等岩层的蠕变速率进行测试,采用三维数值模拟方法获得了盐岩及软泥岩的蠕变参数。并通过所获得的蠕变参数,对胜利油田东营区块盐岩及软泥岩井眼不同深度、不同钻井液密度下地层的蠕变速率进行了分析,获得了盐岩及软泥岩井眼许可钻井液密度。研究成果可以为钻井工程钻井液密度选用提供指导意义。 相似文献
12.
目前已被广泛应用的煤矿开采的关键层理论对煤矿岩层控制提供了重要理论依据,并合理解释了煤矿开采矿压显现现象。该理论认为煤矿开采引起的岩层破断、失稳后形成的铰接结构控制了覆岩的运移规律,但其忽略了层与层之间剪应力对覆岩破断运移规律的影响。基于岩层间存在剪应力这一假设,建立了覆岩组合梁力学模型,获得了非均质组合梁剪应力理论解;提出了考虑层间剪应力的关键层判断步骤,并修正了煤矿开采关键层破断距的计算公式;研究认为关键层控制的上覆岩层并不一定同时随其破断;基于双层岩层开采模型,分析提出了柔性控制层概念：即关键层破断后起到类似关键层作用而控制上覆一层或几层岩层变形的一类岩层;进一步提出了柔性控制层的判别方式,探讨了柔性控制层对关键层复合破断和矿压显现规律的影响,分析认为柔性控制层的存在一定程度上减弱了周期来压强度并产生二次伴随来压现象;结合工程案例,验证了该假设的合理性。 相似文献
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采空区地表移动变形的时间影响参数 总被引：1，自引：1，他引：0
穆满根 《中国地质灾害与防治学报》2009,20(3):56-58,62
多层采空区多次复杂开采造成的累积沉降不能简单地用单一采空区地表移动变形模型作参照。对采空区的研究,时间影响参数是工程稳定性重点研究和考虑的问题。通过变形观测数据,得到一系列的时间影响参数C的数据点。C是随时间动态变化的,是相应的诸多条件综合影响的结果,拟合得到现时段的时间影响参数经验式。这对采空区今后的残余沉降的预测具有重要的实际意义。 相似文献
14.
S. Y. Wang K. C. Lam S. K. Au C. A. Tang W. C. Zhu T. H. Yang 《Rock Mechanics and Rock Engineering》2006,39(5):445-467
Summary. Based on cusp-type catastrophe theory, a sample rock–rock model for studying the pillar rockburst mechanism is presented in
this paper. It is shown that the stiffness ratio, K, of the roof and floor to the pillar plays an important role in the outbreak of instability. Additionally, simple formulae
for the deformation jump and the energy release are derived. Based on the assumption that there exists a proportional relationship
between the number of microseismic events and microfractured elements, the theoretical microseismic event rate produced by
the double rock sample, loaded in series under uniaxial compression, is obtained. Using a newly developed numerical code,
RFPA2D, the progressive failure process and associated microseismic behavior of the twin rock samples are simulated, which shows
that the spatial distribution of microseismic events develops progressively from disorder at the initial loading stage to
order prior to the main shock. The numerically simulated results also confirm that a soft roof and floor promote an unstable
failure or collapse of pillars, while a stiff roof and floor can lead to a stable failure of pillars. Additionally, the simulated
results reproduce the deformation jump and the energy release that occur during a pillar rockburst. It is demonstrated that
the proposed model properly simulates the pillar failure process. 相似文献
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硬厚覆岩的破断与结构将发生显著的变化。针对汝箕沟煤矿二2煤层上覆厚层石英砂岩条件,采用现场实测、数值模拟、理论分析及现场试验等方法,研究了硬厚覆岩裂隙发育特征、破断运动、矿压显现特征及断顶控制技术,为硬厚覆岩工作面灾害防治提供了依据。研究表明,硬厚石英砂岩的微观结构致密完整,呈现大面积悬空、大步距破断运动,引起强烈的支架动载,甚至导致工作面风流逆转、沟通上部采空区隐形火区;硬厚岩层破断运移后产生明显的离层空间,并在开切眼上部和工作面上部及采空区中部形成覆岩主裂隙带,且发育高度大于经验计算数值,甚至与上方采空区沟通诱发灾害;实施开切眼深孔断顶爆破及降低工作面采高,有效缩短了硬厚岩层的初次破断步距,降低了支架动载及主裂隙带高度。 相似文献
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采矿塌陷在开采施工中被给予了特别关注,也是施工地质灾害重要表现形式之一。已有地震记录中不乏对其形态辨识,然而少见对塌陷机理和发生过程中能量转换等较全面的研究。温岭市长屿硐天采矿遗址区碧玉潭洞室群1997年8月11日早晨发生持续时间约20 s大塌方。现场残留了面积约31 380 m2、体积约1.35×106 m3的塌陷岩体。通过现场工程地质调查、塌陷过程追溯、邻近地震台站频谱记录分析,笔者认为这次发生在凝灰岩中的大规模塌陷系因地下采石过程中保安矿柱被过量开挖掉而引发局部顶板破裂和应力分布的大改变,进而发展至整个矿区岩体塌落破坏,使矿坑积水飞溅和压缩空气冲击波带来了沿途150 m范围内人员伤亡、树木折断和财产损失。塌陷区南93 km的温州台地震波谱记录了这次采矿塌陷地震活动,其波形数据与现场塌陷破坏能量转化情况基本吻合。在采矿活动中保安矿柱的合理配置、为人员安全设置变形破坏过程监测等,是需考虑的预防塌陷措施。 相似文献
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在胶结充填采矿法中,胶结充填体弹性系数和其不接顶高度是空区顶板安全的重要影响因素。基于柔性支护原理,把顶板变形分为两个阶段：顶板在覆岩自重应力作用下产生挠曲变形;顶板与胶结充填体接触后共同承载顶板覆岩自重应力;并据此分别建立了力学模型。以广西盘龙铅锌矿为工程分析实例,研究在不同胶结充填体弹性系数和不接顶高度条件下顶板挠度的变化规律。结果表明：当胶结充填体弹性系数k≥0.1 GN/m3时,不接顶高度h是影响顶板挠度的主要因素,当胶结充填体弹性系数k较小时,弹性系数k是影响顶板挠度的主要因素;当k≥0.1 GN/m3且h≤300 mm时,胶结充填体能有效控制顶板岩层移动和降低储存在其中的应变能。现场勘探结果与理论计算基本吻合,验证了研究成果的可靠性。 相似文献
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利用极限分析上限法求解地基极限承载力问题的关键在于构造合适的破坏模式。当地基下方存在空洞时,地基的破坏模式变得相当复杂。通过分析空洞存在时地基的受力特点及破坏形态,将地基破坏范围划分成为不同的刚性区和过渡区,构造了空洞上方条形基础地基的破坏模式。利用上限法,建立与破坏模式对应的速度场,推导了破坏模式不同区域内的耗散功率和外力功率,得到地基极限承载力的目标函数,并采用数学优化方法进行求解,获得了极限承载力的上限解。通过算例分析,讨论了空洞顶板厚度、空洞大小与地基极限承载力的关系,并与无空洞条件下地基极限承载力进行对比分析。结果表明,随着空洞顶板厚度增加,地基极限承载力增加,破坏模式也由地基与空洞之间扩散到地基两侧;空洞顶板厚度存在临界值,当超过此临界值时,空洞对地基极限承载力的影响可忽略。 相似文献
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青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。 相似文献
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海底赋存大量未开采的矿产资源,利用前景广阔。与陆地采矿相比,海底采矿受上覆水体威胁巨大。因此,准确掌握采空区上覆围岩变形破坏规律,设置合理的顶部预留隔水矿柱,对海下采矿工程安全、高效生产具有重要意义。本文以山东三山岛金矿新立矿区这一典型的海底矿床为研究对象,基于滨海矿山复杂的工程地质特征,采用室内地质力学模型试验的方法,重现了海下充填开采过程,阐明了动态开采条件下海底矿山采空区围岩变形破坏规律和特征。试验结果表明,三山岛新立矿区的临界开采高度为- 85 m,顶部预留隔水矿柱的最小厚度为50 m。若开采超过该临界值,采空区和顶部含水层将发生贯通性破坏,其失稳模式为断层活化。研究成果可为新立矿区预留矿柱高度的选取提供理论基础,也可为相似地质条件下矿山安全开采提供参考。 相似文献