Mechanisms behind mine earthquake-induced dynamic instability of thick top coals in high-stresses roadways
-
摘要:目的
厚煤层沿底掘进煤巷普遍存在厚顶煤，工作面矿震对巷道厚顶煤产生动载作用，易诱发厚顶煤动力失稳和冒顶−冲击复合灾害，亟需探究矿震动载作用下巷道厚顶煤动力失稳机制。
方法以陕西彬长矿区深部厚顶煤巷道为工程背景，调研分析深部高应力巷道厚顶煤动力失稳特征，数值模拟研究不同静动载作用下巷道厚顶煤多场演化规律，提出矿震诱发高应力巷道厚顶煤动力失稳机制。
结果和结论结果表明，巷道厚顶煤冒顶区域距回采工作面较远，冒顶后裸露平整顶板，顶板锚索拉断，冒顶区域附近均发生大能量矿震，呈现冒顶−冲击复合灾害现象。随静载增加，巷道围岩裂隙发育深度及变形不断增加；随动载作用时间和动载强度增大，顶煤震动速度、加速度及裂隙发育程度不断增大，顶煤离层量显著增加；顶板锚杆索均位于顶煤裂隙发育区，支护性能大幅降低。静动载作用下巷道厚顶煤累积损伤及离层量不断增大，大能量矿震动载使浅部破碎顶煤震动速度及加速度显著增大，作用在锚索上载荷超过其承载能力，锚索被拉断，浅部破碎煤体以较高速度冒落，诱发厚顶煤动力失稳和冒顶−冲击复合灾害。在此基础上，提出了采用重建厚顶煤主被动支护和加强卸压的深部巷道厚顶煤动力失稳灾害的防治方法。
Abstract:ObjectiveThick top coals are common in roadways excavated along the bottom of thick coal seams. Mine earthquakes along the mining face can exert dynamic loading on thick top coals in roadways, prone to induce the dynamic instability of thick top coals and even roof fall-rock burst compound disasters. Therefore, there is an urgent need to explore the mechanisms behind the dynamic instability of thick top coals in roadways under dynamic loading induced by mine earthquakes.
MethodsThis study investigated a roadway of deep thick top coals in the Binchang mining area, Shaanxi. Specifically, this study analyzed the dynamic instability characteristics of deep thick top coals in the high-stress roadway, investigated the multi-field evolutionary patterns of thick top coals in the roadway under different static/dynamic loading using numerical simulations, and determined the mechanisms behind the mine earthquake-induced dynamic instability of thick top coals in high-stress roadways.
Results and ConclusionsThe results indicate that the roof fall zone of thick top coals in the roadway is far from the mining face. Roof falls were followed by the exposure of the flat roof and the breaking of anchor cables in the roof. Concurrently, high-energy mine earthquakes occurred near the roof fall zone, resulting in roof fall-rock burst compound disasters. An increase in static load corresponded to continuously increasing fracture depths and deformations of surrounding rocks in the roadway. As the time and intensity of dynamic loading increased, the vibration velocity, acceleration, and fracture developmental degree of top coals increased gradually, along with significantly increasing detachment layer number of top coals. The anchor bolts and cables for the roof, all located in the fracture zone of top coals, showed significantly reduced support performance. Under the static/dynamic loading, the cumulative damage and detachment layer number of thick top coals in the roadway increase gradually. The dynamic loading induced by high-energy mine earthquakes leads to significantly elevated vibration velocity and acceleration of shallow broken top coals. Consequently, the anchor cables break off when the load acting on them exceeds their bearing capacities, and the shallow broken coals fall at a relatively high speed, thus inducing the dynamic instability of thick top coals and even roof fall-rock burst compound disasters. Based on these results, this study proposes preventing and controlling the dynamic instability of deep thick top coals in roadways by reconstructing the active and passive supports of thick top coals and reinforcing pressure relief.
-
充填技术是绿色开采的重要组成部分，充填材料强度是充填技术的核心，研发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料[1]，是发展充填技术的关键。煤矸石(CG)作为煤矿开采和洗涤过程中的主要固体废弃物，占煤炭总量的15%~20%[2-3]。堆积的煤矸石废渣不仅会占用大量土地资源，而且还有可能会引起地表沉降、土壤污染等灾害[4-5]。就地取材，原地利用，开发煤系固废基绿色充填材料，不仅可解决煤矿开采带来的环境问题，同时还能最大程度提高“三下”压煤采出率。因此，将煤矸石转化为清洁型充填材料，符合我国绿色低碳循环经济发展战略需求。
煤矸石中含有大量的金属和非金属资源，如Al、Si、Fe、C、O等[6-7]，已有多项研究提出煤矸石的处理方法和利用途径。传统处理方法是利用煤矸石余能发电[8]，但这种方法将煤矸石煅烧后仍会产生大量残渣，容易造成二次污染。近年来，研究人员对潜在活性较低的煤矸石作为建筑、充填材料开展广泛研究，如煤矸石用作水泥基材料添加剂，对煤矸石进行预处理可以激发其火山灰活性[9]，从而提高水泥基材料的强度。用作混凝土骨料，不仅可以满足混凝土的力学强度，也能满足混凝土的耐久性要求[10]。Wang Hao等[11]将煤矸石和粉煤灰混合制成浆料，直接用于采空区充填，减少了煤矸石对环境的危害。部分学者[12-13]采用煤矸石和矿粉等制作一种路基回填材料，复合材料的流变特性、抗压强度、凝结时间等均满足路基回填材料的技术要求。尽管此类煤矸石得到了一定的应用，但其潜在活性低、级配需定向调整对复合材料的强度均有很大影响。另外，由于附加值较低，依赖于运输距离，作为建材、路基填料等应用前景具有一定的局限性。
另一类与煤层伴生的硬质高岭土煤矸石，含碳量低，黏土矿物含量高[14]，潜在活性高，经800℃煅烧脱羟基后可制备煤系偏高岭土。由于偏高岭土的主要成分是二氧化硅和氧化铝，已经成为碱激发材料的重要组成部分，具有较高的技术优势和经济优势[15]。偏高岭土作为矿物添加剂或水泥掺合料已经得到广泛研究[16]，替代部分水泥不仅可以减少CO2排放，而且可以改善水泥强度[17]。D. L. Pillay等[18]采用偏高岭土制作地聚物混凝土，发现在海洋工程中可以有效抵抗氯离子的侵蚀。此外，偏高岭土地聚物具有良好的抗渗性，也可作为危险废物的封装，有效减少放射性元素的浸出[19]。V. S. Le等[20]也发现碱激发偏高岭土具有较强的抗火性，可以作为耐火性涂料等。煤系偏高岭土的碱激发胶凝特性为其作为充填材料资源化利用提供了可能，但其反应需水量大、流动性差，限制了其作为矿山充填材料的应用。
煤矸石的潜在活性较低，难以提供充填材料所需的胶凝强度，而潜在活性高的煤系偏高岭土(MK)，存在需水量大、流动性差的应用缺陷。基于此，笔者将两类煤矸石进行资源化协同利用，探讨复配制备煤系固废基绿色充填材料的可行性。综合评估两类固废掺比和碱激发剂对该充填材料强度和流动性的影响规律，采用XRD、FTIR、TG和SEM-EDS等表征手段，揭示煤系固废基充填材料反应机理，结合强度、流动性和环境指标，优化了材料配比。本研究可为充填技术发展和绿色矿山建设提供更为广阔的空间。
1 材料与方法
1.1 实验材料
煤矸石取自山西运城某煤矿堆土场，煤系偏高岭土由该矿煤系高岭土煤矸石煅烧制得。采用机械活化的方式对煤矸石进行预处理，基于以往研究工艺，将煤矸石球磨至所需粒径[21]，粒径分布曲线如图1所示。由图1可知，偏高岭土不均匀系数Cu=4.35<5，曲率系数Cc=0.90<1；煤矸石不均匀系数Cu=24.89>5，曲率系数Cc=0.60<1，表明煤矸石和偏高岭土的级配均不良。XRD矿物组成如图2所示，原材料的主要矿物是以石英为主，伴随有白云母、高岭石和锐钛矿。2种原材料的化学成分见表1，主要成分为二氧化硅和氧化铝。碱激发材料选用Na2SiO3和NaOH固体颗粒，按照0.7的水胶比称取去离子水，将碱颗粒充分溶解冷却后待用。
表 1 原材料的化学组成Table 1. Chemical composition of raw materials原材料 各组成质量分数/% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O SO3 Loss 偏高
岭土54.29 41.52 0.63 0.35 0.31 0.04 1.09 煤矸石 47.35 21.85 3.22 4.86 0.71 5.69 3.09 1.2 实验方法
较单独使用NaOH类的激发剂，Na2SiO3与NaOH的混合激发效果较好[22]，常规的碱激发材料往往需要高浓度碱溶液[23]。为节约成本，本文固定总碱外掺量质量分数为10%，Na2SiO3与NaOH质量之比分别为1∶2、1∶1、2∶1、3∶1，编号为A、B、C、D，共4种碱激发剂用于激发偏高岭土与煤矸石组成的充填材料。按照标准NB/T 51070—2017《煤矿膏体充填材料试验方法》[24]开展流动性实验和抗压强度实验。将煤矸石与偏高岭土按照不同的比例混合，配比设计见表2，采用行星式搅拌机搅拌，搅拌3 min后加入配好的碱溶液，再搅拌3~5 min后将拌好的浆体注入50 mm×50 mm的圆柱形模具中，在振动台上振动3 min排除浆体中的气体，成型后试样如图3所示。试样拆模后用自封袋密封，在20℃、95%湿度条件下进行标准养护，养护至所需龄期后开展抗压强度测试，强度结果为3个平行样的平均值。
表 2 原材料配比设计Table 2. Mix proportion design of raw materials编号 各成分质量分数/% 碱类型 煤矸石 偏高岭土 碱外掺量 Na2SiO3∶NaOH A1 30 70 10 1∶2 A2 40 60 10 1∶2 A3 50 50 10 1∶2 A4 60 40 10 1∶2 A5 70 30 10 1∶2 A6 80 20 10 1∶2 B1 30 70 10 1∶1 B2 40 60 10 1∶1 B3 50 50 10 1∶1 B4 60 40 10 1∶1 B5 70 30 10 1∶1 B6 80 20 10 1∶1 C1 30 70 10 2∶1 C2 40 60 10 2∶1 C3 50 50 10 2∶1 C4 60 40 10 2∶1 C5 70 30 10 2∶1 C6 80 20 10 2∶1 D1 30 70 10 3∶1 D2 40 60 10 3∶1 D3 50 50 10 3∶1 D4 60 40 10 3∶1 D5 70 30 10 3∶1 D6 80 20 10 3∶1 ![]()
图 3 抗压强度实验样品制备Figure 3. Preparation of samples used for compressive strength experiment微观试验时，将抗压强度测试后的试样破碎后用无水乙醇终止水化反应，干燥后取块状样品进行SEM-EDS试验，将样品粘到导电胶上，并使用Oxford Quorum SC7620溅射镀膜仪喷金，随后使用TESCAN MIRA LMS型号的扫描电子显微镜对样品进行测试。另取样品研磨成粉末分别进行XRD、FTIR和热重测试，使用日本Rigaku SmartLab SE型X射线衍射分析仪对样品进行XRD测试，扫描衍射角范围为5°~70°；使用Thermo Scientific Nicolet iS20傅立叶红外光谱仪测试样品的FTIR频谱，测试波数400~4 000 cm−1；使用NETZSCH STA 449F3热重分析仪测试不同温度下样品的质量损失。
2 结果与分析
2.1 抗压强度实验
图4为不同龄期下试样的抗压强度，可以看出，随着偏高岭土掺量的增加，抗压强度逐渐增大。以3 d龄期的A组为例，从A6到A5，强度增长了35%；而从A2到A1，强度增长了42%；说明当偏高岭土掺量在50%以内时，增长幅度较慢，当掺量在50%以上时，抗压强度的增长幅度较大。对于不同碱激发剂，B3强度比A3、C3、D3分别高56%、69%、115%，说明随着Na2SiO3掺量的增加，抗压强度呈现先增加后减小的趋势，其中当Na2SiO3∶NaOH=1∶1时，抗压强度最大。此外，随着养护龄期的增长，胶凝材料的抗压强度也呈现不同程度的增长，其中3~7 d强度增长缓慢，14~28 d强度相对增长较快。偏高岭土的主要化学成分是SiO2和Al2O3，在碱性环境下，偏高岭土中的硅、铝化合物会溶解产生硅酸根离子和铝酸根离子，碱溶液中的Na+充当阳离子与其进行键合，在重组和缩聚作用下产生大量的硅铝酸盐凝胶，将煤矸石颗粒黏结在一起，从而形成致密结构。对于偏高岭土与煤矸石混合的体系中，骨架的形成很大程度上依赖于偏高岭土产生的凝胶，而碱激发剂直接影响其溶解效果，合适的碱溶液能够使单体颗粒产生更多的反应键，从而增强混合物中分子间的键合强度[25]。煤矸石中虽然也有很多的SiO2和Al2O3，但由于活性较差，并且粒径相对较大，若要激发煤矸石的活性可能需要更高浓度的碱溶液，额外的经济成本不利于推广应用。
2.2 流动性
图5给出了试样的流动度结果，从图中可以看出，随着偏高岭土掺量的增加，试样的流动性逐渐减弱；相反偏高岭土的掺量减少，即煤矸石的掺量增加，可以有效改善膏体的流动性。一方面可以延缓胶凝产物的水化速率，另一方面煤矸石级配不良，磨细的球形颗粒有利于充填材料流动扩展，因此，80%掺量的煤矸石膏体流动性最好。当煤矸石掺量大于40%时，均优于前人研究结果[26]。此外，对于不同配比的碱激发剂，随着碱激发剂中Na2SiO3占比的增大，试样的流动性增强，表明Na2SiO3可以改善膏体的流动度，结果与前人研究一致[27]。
2.3 微观机理
2.3.1 XRD分析
图6给出了3 d和28 d龄期试样的XRD图谱。以A1、A3、A6为例探究不同偏高岭土掺量的水化产物；以A3、B3、D3为例，探究不同碱激发剂对水化产物的影响。可以看出，水化产物主要由N―A―S―H、SiO2、沸石组成。随着偏高岭土掺量的增加，N―A―S―H的衍射峰逐渐增强，并且产生沸石类晶相，这与Liu Yi等[28]的发现一致，硅铝酸盐在碱的活化作用下会通过固态转化，转换为沸石晶相。由于煤矸石与偏高岭土中Ca的含量较低，所以只形成少量的C―A―S―H。对于A3、B3、D3试样，随着碱激发剂中Na2SiO3占比的增加，N―A―S―H和沸石类相的衍射峰先增强后减弱，在Na2SiO3与NaOH比例为1∶1时，激发效果最好，产生更多的硅铝酸钠凝胶，增强整体结构的密实度。从图6可以看出，28 d龄期的N―A―S―H和沸石峰更强，表明28 d龄期下产生更多的水化产物，有利于强度的发展。
2.3.2 FTIR分析
图7给出了不同偏高岭土掺量在不同减激发剂下试样的红外光谱图，光谱范围为400~4 000 cm−1。3 695、3 620 cm−1为OH的非对称伸缩振动，对于5个试样在1 654、3 440 cm−1均出现振动峰，并且峰位未发生偏移，是由于水化水羟基引起的振动峰，表明体系中存在一定的化学结合水。1 090、1 086、1 033 cm−1为碱激发作用下T―O―Si(其中T可为Si或Al)的典型非对称伸缩振动，是碱激发聚合的重要特征[29]，此处衍射峰最宽，峰值也最强。在800~1 200 cm−1波段内，偏高岭土发生聚合转化为无定型结构，Si―O―Si键发生聚解，四面体Al―O键部分取代Si―O键，由(SiO4)4−变成(AlO4)4−，频带发生偏移，且频率向低频移动得越多说明取代率越高[30]。在此波段内，A1试样相对A6频率更低，B3试样相对于A3和D3试样频率更低，说明偏高岭土掺量较高时，且碱激发剂为Na2SiO3与NaOH质量比为1∶1时，四面体配位的Al取代率更高，碱激发效果更好，因此强度更高。539 cm−1为Si―O―Al弯曲振动峰，该峰振动越剧烈，说明Si―O―Al基团含量越多，A1和B3试样产生更多的硅铝酸基团，与前文XRD结果相一致。799 、780 cm−1为Si―O―Si的典型对称伸缩振动；696 cm−1为Si―O―Si弯曲振动峰，467 cm−1为O―Si―O的弯曲振动。
![]()
图 7 不同偏高岭土掺量在不同减激发剂下的FTIR谱Figure 7. FTIR graph of different mixing amounts of metakaolin under different alkali activators2.3.3 TG-DSC分析
胶凝体系内主要由N―A―S―H提供胶结作用，为了进一步分析水合程度，图8和图9给出了3 d和28 d龄期下试样的TG和DTG曲线。结合图8和图9可知，在0~200℃范围内出现第1个失重峰为N―A―S―H[31]，失重峰的大小可在一定程度上反映水化程度的强弱，可以看出主要火山灰活性材料偏高岭土的掺量越多，失重越大，3 d龄期时偏高岭土最多的A1组在200℃失重约为7.3%，生成的水化产物最多，样品表现出的强度也最高，水化产物的矿物相也说明了该结果。在400~600℃出现第2个失重峰，基于该胶凝材料体系，该失重峰的原因可归结为原材料中的高岭石脱羟基水[32]、水化产物氢氧化钙脱羟基水。由于原材料中含有少量的钙，导致原材料中的高岭石和水化产物中的氢氧化钙相互杂糅形成了该阶段的失重峰，且变化规律不明显。因此，该胶凝体系水合程度的多少主要依赖于0~200℃的热重分析，发展规律和强度具有一致性。
2.3.4 SEM分析
为进一步探究水化产物的微观形貌，图10给出了28 d龄期下的SEM图。观察可知，偏高岭土与煤矸石的混合物与偏高岭土基地聚物相似，呈现出松散的微观结构[33]，具有明显的片状和层状结构。由于固液反应可以看成是低水胶比的胶凝体系，所以聚合过程中会保留基本的原始特征形状。偏高岭土掺量为20%的A6试样可以明显看到煤矸石大颗粒，N―A―S―H凝胶较少且分布不均，无法充分填充到煤矸石的孔隙中，因此结构性较差。相比于偏高岭土掺量为70%的A1试样，N―A―S―H凝胶较多且分布均匀，煤矸石自身的多孔特性，有一定的吸附作用，会将凝胶吸附到颗粒表面，界面附着力较好，能与煤矸石有效结合成密实结构。对于不同的碱激发剂，相比于A3和D3试样，Na2SiO3∶NaOH为1∶1的B3试样的表面团状、絮状胶凝晶体明显均匀密实，同时从EDS结果也可以看出，N―A―S―H凝胶附着在煤矸石表面时，Na会与煤矸石微量的Ca元素发生置换，形成少量的C―A―S―H。
2.4 综合指标评价
为综合评定偏高岭土与煤矸石充填材料的适用性，首先对早期强度和流动性指标进行评估，结果如图11所示。结合图中强度和流动性的交叉点，可初步选取配比如下：Na2SiO3∶NaOH=1∶2时，偏高岭土∶煤矸石=4∶6；Na2SiO3∶NaOH=1∶1时，偏高岭土∶煤矸石=3∶7；Na2SiO3∶NaOH=2∶1时，偏高岭土∶煤矸石=5∶5；Na2SiO3∶NaOH=3∶1时，偏高岭土∶煤矸石=6∶4。山西沁水盆地煤矿煤层平均厚度一般在5 m[34]，对于山西煤矿充填体早期强度的计算方法采用下式[35]计算：
$$ {y^2} = a{x^3} $$ (1) 式中：y为胶结充填体高度，m；x为胶结充填体强度；MPa；a为经验系数。
经过计算5 m充填体高度的充填体强度要求为0.35 MPa，因此，满足强度要求的充填材料为Na2SiO3∶NaOH=1∶2时，偏高岭土∶煤矸石=4∶6；Na2SiO3∶NaOH=1∶1时，偏高岭土∶煤矸石=3∶7。同时，在这2种配比情况下，流动性均满足矿山充填管道输送标准[36]。
制备的煤系固废基绿色充填材料是一种低成本、环保型材料，原材料CO2排放量[37-40]见表3。其中煤矸石为原位取材，不考虑运输过程中的碳排放，只考虑分选时少量的CO2排放，选取文献[41]的计算方法，采用碳排放指数CI来计算充填材料的CO2排放量，如下式，结果如图12所示。对比上述配比可知，当Na2SiO3∶NaOH=1∶1，偏高岭土∶煤矸石=3∶7时，CI为0.257，碳排放最低。
表 3 原材料二氧化碳排放量Table 3. Carbon dioxide emissions of raw materials原材料 MK CG NaOH Na2SiO3 CO2排放量/(kg·m−3) 0.400 0.079 1.30 1.86 $$ {\rm{CI}} = \frac{{{e_{{\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}}}}}{{{f_{\text{c}}}}} $$ (2) 式中：
$ {e_{{\text{CO}}}}_{_2} $ 为1 m3膏体材料CO2的总排放量，kg/m3；fc为28 d龄期的抗压强度，MPa。3 结 论
a. 以煤矸石制备绿色充填材料，随着偏高岭土掺量的增加，充填材料的强度增大，流动性减弱。煤矸石可以改善充填材料的流动性，煤矸石掺量越多，流动性越强，但是不利于强度的发展。当Na2SiO3和NaOH的比例为1∶1，强度最高，且Na2SiO3的掺量越多，流动性越好。
b. 在碱性环境下，偏高岭土的Al―O基团取代部分Si―O基团，形成N―A―S―H凝胶和沸石类产物，并且随着偏高岭土掺量的增加，可以加速沸石和硅铝酸盐凝胶的生成，在碱激发剂Na2SiO3和NaOH的比例为1∶1下，水化产物最多。
c. 在偏高岭土与煤矸石的混合体系中，水化产物N―A―S―H附着在煤矸石表面，煤矸石中少量的Ca可以取代部分Na，形成C―A―S―H。偏高岭土的水化产物可以充分填充煤矸石颗粒的孔隙，致密化结构，从而改善体系的强度，其中70%偏高岭土掺量的形貌最为密实。
d. 结合强度、流动性与环境性指标对充填材料性能进行综合评价，推荐碱激发剂中Na2SiO3与NaOH的最优配比为1∶1，偏高岭土与煤矸石的最优配比为3∶7，此时强度和流动性均可以满足充填要求，并且碳排放指标低至0.257。
-
![]()
图 2 301工作面回风巷道支护方案
Fig. 2 Support scheme for the air return roadway of the No.301 mining face
![]()
图 3 301工作面矿震震源位置及冒顶位置
Fig. 3 Locations of mine earthquake sources and roof fall accidents in the No.301 mining face
![]()
图 4 301工作面回风巷道典型冒顶显现特征
Fig. 4 Typical manifestations of roof falls in the air return roadway of the No.301 mining face
![]()
图 5 301工作面回风巷道顶煤裂隙孔中探测
Fig. 5 Borehole-revealed fractures in thick top coals in the air return roadway of the No.301 mining face
![]()
图 6 301工作面回风巷道冒顶区域围岩三向应力演化特征
Fig. 6 Three-dimensional stress evolutionary characteristics of surrounding rocks in the roof fall zone in the air return roadway of the No.301 mining face
![]()
图 7 冒顶区域受矿震动载影响情况
Fig. 7 Impacts of dynamic loading induced by mine earthquakes on the roof fall zone
![]()
图 8 巷道厚顶煤结构稳定性离散元数值模型
Fig. 8 Distinct element method-based numerical model for analyzing the stability of the thick top coal structure in the air return roadway
![]()
图 9 不同采动应力环境下围岩裂隙−变形特征
Fig. 9 Fracture and deformation characteristics of surrounding rocks under different mining-induced stresses
![]()
图 10 不同采动应力环境下厚顶煤变形特征
Fig. 10 Deformation characteristics of thick top coals under different mining-induced stresses
![]()
图 11 动载作用下厚顶煤结构失稳特征与现场显现对照
Fig. 11 Contrast between the instability characteristics of the thick top coal structure under dynamic loading and field manifestations
![]()
图 12 动载作用下不同位置顶煤震动速度及加速度响应特征
Fig. 12 Vibration velocity and acceleration characteristics of top coals at different locations under dynamic loading
![]()
图 13 峰值速度2.0 m/s动载作用不同时间巷道厚顶煤结构裂隙−变形特征
Fig. 13 Fracture and deformation characteristics of the thick top coal structure in the roadway at different times under dynamic loading at a peak velocity of 2.0 m/s
![]()
图 14 不同强度动载作用0.4 s时巷道厚顶煤结构裂隙−变形特征
Fig. 14 Fracture and deformation characteristics of the thick top coal structure in the roadway at 0.4 s under dynamic loading of different intensities
![]()
图 15 不同动载作用时间下厚顶煤结构位移演化特征
Fig. 15 Displacement evolutionary characteristics of the thick top coal structure at different dynamic loading times
![]()
图 16 不同强度动载作用下厚顶煤结构位移演化特征
Fig. 16 Displacement evolutionary characteristics of the thick top coal structure under dynamic loading of different intensities
表 1 301工作面回风巷道2021年冒顶情况统计
Table 1 Statistics of roof fall accidents in the air return roadway of the No.301 mining face in 2021
序号 日期 冒顶范围 微震监测情况 现象 1 2021-09-29 55 m
(超前323~378 m)能量4.7×105 J，震源位于煤层顶板18 m，超前工作面300 m，距回风巷道60 m 冒落高度2.5~4.0 m，宽度约4.5 m，冒顶区域顶部为平顶，
两肩窝上部均留有宽约1.0 m台阶状悬顶，拱部锚杆全部掉落，
靠近肩窝处锚杆均在1.1~1.5 m处断裂，顶板中部锚索拉断，
锚杆、锚索断裂处存在新、旧断裂面。地面震感明显2 2021-11-02 6 m
(超前128~134 m)能量3.6×105 J，震源位于煤层顶板20 m，超前工作面147 m，距回风巷道87 m 冒顶高度约2.0 m，顶板部分锚杆、锚索发生断裂 3 2021-11-30 30 m
(超前224~254 m)能量5.5×105 J，震源位于煤层中，超前工作面222 m，距回风巷道44 m 冒顶高度0.6~0.9 m，宽约3.0 m，部分顶锚杆、
锚索发生断裂，原扩修支护造假顶使用的工字钢倾斜变形
下载: 导出CSV
表 2 301工作面回风巷道顶煤裂隙探测结果
Table 2 Detection results of fractures in thick top coals in the air return roadway of the No.301 mining face
序号 距冒顶区距离/m 孔深/m 现 象 1 10 9 未见岩层，浅部孔壁存在明显竖向裂隙，5 m以上区域存在多条不规则横向裂隙 2 30 9 未见岩层，浅部孔壁存在明显竖向裂隙，6 m以上区域段，存在多条不规则横向裂隙 3 50 9 未见岩层，浅部孔壁存在明显竖向裂隙，6~7 m位置煤体破碎明显 4 70 9 未见岩层，浅部孔壁存在明显竖向裂隙 5 90 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6 m以上区域存在多条不规则横向裂隙 6 110 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显 7 140 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6 m位置存在一段煤体破碎区域 8 170 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6 m处煤体明显破碎，8 m以上区域横向不规则裂隙明显，涌水明显 9 200 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6 m以上存在多条横向不规则裂隙，7.0、8.6 m位置存在明显横向裂隙，涌水明显 10 230 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6.5 m以上存在多条横向不规则裂隙，8.8 m位置存在明显横向裂隙，涌水明显 11 260 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6 m以上存在多条横向不规则裂隙，6.5 m位置存在明显横向裂隙，
涌水明显12 290 9 未见岩层，浅部孔壁竖向裂隙明显，6 m以上存在多条横向不规则细小裂隙 13 390 9 未见岩层，浅部孔壁存在明显竖向裂隙，8 m处煤壁破碎较为明显，存在明显横向裂隙 14 410 3 浅部孔壁存在明显竖向裂隙(水压不足，未到设定深度)
下载: 导出CSV
表 3 模型应力边界条件
Table 3 Stress boundary conditions of the numerical model
序号 阶段 σx/MPa σy/MPa σz/MPa 1 初始应力 38.4 18.2 21.3 2 302工作面回采 40.7 20.8 26.0 3 301工作面回采(600 m) 44.2 23.4 33.7
下载: 导出CSV
-
[1] 曹安业,窦林名,白贤栖,等. 我国煤矿矿震发生机理及治理现状与难题[J]. 煤炭学报,2023,48(5):1894−1918. CAO Anye,DOU Linming,BAI Xianxi,et al. State-of-the-art occurrence mechanism and hazard control of mining tremors and their challenges in Chinese coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2023,48(5):1894−1918.
[2] 李俊平,管婷婷,冯嘉禹,等. 矿震与冲击地压防治研究进展[J]. 中国安全科学学报,2024,34(1):85−93. LI Junping,GUAN Tingting,FENG Jiayu,et al. Research progress on prevention and control of mine earthquake and rock burst[J]. China Safety Science Journal,2024,34(1):85−93.
[3] 张广超,张广有,周广磊,等. 多工作面连续开采地表沉陷与强矿震联动响应规律[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2024,6(1):117−130. ZHANG Guangchao,ZHANG Guangyou,ZHOU Guanglei,et al. The linking response law of surface subsidence and strong mine earthquake in continuous mining of multiple working faces[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2024,6(1):117−130.
[4] 潘一山,代连朋,李国臻,等. 煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究[J]. 煤炭学报,2021,46(1):112−122. PAN Yishan,DAI Lianpeng,LI Guozhen,et al. Study on compound disaster of rock burst and roof falling in coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(1):112−122.
[5] 郭晓菲,郭林峰,马念杰,等. 巷道围岩蝶形破坏理论的适用性分析[J]. 中国矿业大学学报,2020,49(4):646−653. GUO Xiaofei,GUO Linfeng,MA Nianjie,et al. Applicability analysis of the roadway butterfly failure theory[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2020,49(4):646−653.
[6] WANG Qingfei,PAN R,JIANG Bei,et al. Study on failure mechanism of roadway with soft rock in deep coal mine and confined concrete support system[J]. Engineering Failure Analysis,2017,81:155−177. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.08.003
[7] 赵志强. 大变形回采巷道围岩变形破坏机理与控制方法研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2014. ZHAO Zhiqiang. Mechanism of surrounding rock deformation and failure and control method research in large deformation mining roadway[D]. Beijing:China University of Mining & Technology (Beijing),2014.
[8] GUO Xiaofei,ZHAO Zhiqiang,GAO Xu,et al. Analytical solutions for characteristic radii of circular roadway surrounding rock plastic zone and their application[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2019,29(2):263−272. DOI: 10.1016/j.ijmst.2018.10.002
[9] 贾后省,李国盛,王路瑶,等. 采动巷道应力场环境特征与冒顶机理研究[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(4):707−714. JIA Housheng,LI Guosheng,WANG Luyao,et al. Characteristics of stress-field environment and roof falling mechanism of mining influenced roadway[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(4):707−714.
[10] 马念杰,李季,赵志强. 圆形巷道围岩偏应力场及塑性区分布规律研究[J]. 中国矿业大学学报,2015,44(2):206−213. MA Nianjie,LI Ji,ZHAO Zhiqiang. Distribution of the deviatoric stress field and plastic zone in circular roadway surrounding rock[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(2):206−213.
[11] 李季,马念杰,赵志强. 回采巷道蝶叶形冒顶机理及其控制技术[J]. 煤炭科学技术,2017,45(12):46−52. LI Ji,MA Nianjie,ZHAO Zhiqiang. Butterfly leaf type roof falling mechanism and control technology of mining gateway[J]. Coal Science and Technology,2017,45(12):46−52.
[12] 窦林名,周坤友,宋士康,等. 煤矿冲击矿压机理、监测预警及防控技术研究[J]. 工程地质学报,2021,29(4):917−932. DOU Linming,ZHOU Kunyou,SONG Shikang,et al. Occurrence mechanism,monitoring and prevention technology of rockburst in coal mines[J]. Journal of Engineering Geology,2021,29(4):917−932.
[13] ZHOU Kunyou,MAŁKOWSKI P,DOU Linming,et al. Using elastic wave velocity anomaly to predict rockburst hazard in coal mines[J]. Archives of Mining Sciences,2023,68(1):141−164.
[14] 姜耀东,赵毅鑫. 我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制[J]. 岩石力学与工程学报,2015,34(11):2188−2204. JIANG Yaodong,ZHAO Yixin. State of the art:Investigation on mechanism,forecast and control of coal bumps in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(11):2188−2204.
[15] CAI Wu,DOU Linming,SI Guangyao,et al. Fault-induced coal burst mechanism under mining-induced static and dynamic stresses[J]. Engineering,2021,7(5):687−700. DOI: 10.1016/j.eng.2020.03.017
[16] 吴学明,马小辉,吕大钊,等. 彬长矿区“井上下” 立体防治冲击地压新模式[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(3):19−26. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.22.08.0640 WU Xueming,MA Xiaohui,LYU Dazhao,et al. A new model of surface and underground integrated three-dimensional prevention and control of rock burst in Binchang mining area[J]. Coal Geology & Exploration,2023,51(3):19−26. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.22.08.0640
[17] 史新帅,靖洪文,赵振龙,等. 大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统研制与应用[J]. 岩石力学与工程学报,2021,40(3):556−565. SHI Xinshuai,JING Hongwen,ZHAO Zhenlong,et al. Development and application of a large scale 3D roadway rockburst disaster evolution and instability simulation test system[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(3):556−565.
[18] 曹安业,郭文豪,温颖远,等. 托顶煤巷道锚固“梁−拱” 结构分类及顶板冲击失稳机制[J]. 煤炭学报,2024,49(4):1752−1770. CAO Anye,GUO Wenhao,WEN Yingyuan,et al. Classification and instability mechanism of anchored “beam-arch” composite structure in rock burst roadways with top-coal[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(4):1752−1770.
[19] 孙泽权,蒋力帅,郭涛,等. 动载扰动下复合顶板巷道围岩变形破坏特征[J]. 煤炭技术,2022,41(1):13−19. SUN Zequan,JIANG Lishuai,GUO Tao,et al. Characteristics of surrounding rock deformation and failure of composite roof roadway under dynamic load disturbance[J]. Coal Technology,2022,41(1):13−19.
[20] 刘学生,范德源,谭云亮,等. 深部动载作用下超大断面硐室群锚固围岩破坏失稳机制研究[J]. 岩土力学,2021,42(12):3407−3418. LIU Xuesheng,FAN Deyuan,TAN Yunliang,et al. Failure and instability mechanism of anchored surrounding rock for deep chamber group with super-large section under dynamic disturbances[J]. Rock and Soil Mechanics,2021,42(12):3407−3418.
[21] 温鹏飞. 顶板破断动载作用下巷道锚固系统的损伤规律研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2020. WEN Pengfei. Study on damage law of roadway anchorage system under dynamic load of roof breaking[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2020.
[22] 靖洪文,吴疆宇,尹乾,等. 动载扰动下深部煤巷冲击冒顶的颗粒流数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报,2020,39(增刊2):3475−3487. JING Hongwen,WU Jiangyu,YIN Qian,et al. Particle flow simulation of rock burst and roof fall of deep coal roadway under dynamic disturbance[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2020,39(Sup.2):3475−3487.
[23] 陆银龙,韩磊,吴开智,等. 特厚煤层沿空掘巷力源结构特征与围岩协同控制策略[J]. 中国矿业大学学报,2024,53(2):238−249. LU Yinlong,HAN Lei,WU Kaizhi,et al. Characteristics of stress sources and comprehensive control strategies for surrounding rocks of gob-side driving entry in extra thick coal seam[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2024,53(2):238−249.
[24] 周坤友. 巨厚承压含水关键层的作用效应及疏水调压聚能诱冲机理[D]. 徐州:中国矿业大学,2022. ZHOU Kunyou. Effect of extra-thick and water-bearing key strata and its inducing rockburst mechanism by the drainage of confined water through stress adjustment and energy accumulation[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2022.
[25] 曹晋荣,窦林名,何江,等. 急倾斜特厚煤层工作面非对称冲击矿压机理[J]. 采矿与安全工程学报,2023,40(2):334−345. CAO Jinrong,DOU Linming,HE Jiang,et al. Mechanism of asymmetric coal bursts on the working face in steeply inclined and extra-thick coal seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2023,40(2):334−345.
[26] 朱广安,蒋启鹏,伍永平,等. 应力波扰动作用下断层滑移失稳的数值反演[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(2):370−379. ZHU Guang’an,JIANG Qipeng,WU Yongping,et al. Numerical inversion of dynamic behavior of fault slip instability induced by stress waves[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(2):370−379.
[27] ZHOU Kunyou,DOU Linming,LI Xuwei,et al. Coal burst and mining-induced stress evolution in a deep isolated main entry area:A case study[J]. Engineering Failure Analysis,2022,137:106289. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106289
计量
- 文章访问数: 85
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 32
