Estudio sobre la ley de falla de la roca circundante en una veta de carbón inclinada con entrada lateral de gota

Jul 25, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 973 (2023) Citar este artículo

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Con el objetivo de abordar el problema del control de estabilidad de la roca circundante en el proceso de extracción ascendente de la retención de entrada del lado de la veta de carbón inclinada, se toma como base de investigación la retención de la entrada del lado de la veta de trabajo 5449 en la mina de carbón de Beipingdong. Con base en el estudio del modelo teórico de retención de entrada del lado de la gota, la ley del movimiento de la sobrecarga y la deformación de la roca circundante en el proceso de retención de la entrada del lado de la gota se obtiene a través de experimentos de simulación similares y análisis de simulación numérica, y el esquema de optimización óptimo del soporte. Se propone una estructura. Los principales resultados de la investigación son los siguientes: en el proceso de extracción de vetas de carbón, el centro de gravedad de los estratos superpuestos en toda la cara de trabajo se desplazará hacia el lado de la veta, y la estructura de soporte compuesta por el cuerpo de relleno del camino y el perno de manera efectiva inhibe la deformación de la calzada, en la que el cuerpo de llenado de la calzada desempeña un papel fundamental; el perno superior soporta mayor tensión que el perno lateral en el proceso de minería, por lo que el perno superior mantiene principalmente la estabilidad de la carretera, y el perno lateral desempeña el papel de fortalecer el costado y prevenir la extrusión. El ancho del cuerpo de llenado al costado de la carretera debe ser de aproximadamente 2,5 m, y el rango de falla plástica se puede controlar bien bajo este ancho.

La tecnología de retención de carriles a lo largo de carriles ha aportado ventajas técnicas y beneficios económicos más favorables a la minería del carbón en China, y es un gran avance en el mantenimiento de carriles sin pilares de carbón1,2. Los académicos chinos han llevado a cabo una gran cantidad de estudios sobre la aplicación de esta tecnología desde diferentes ángulos. El equipo de He3,4,5 ha establecido un modelo mecánico de "estructura de roca circundante-cuerpo de soporte lateral de la carretera" bajo diferentes posiciones del techo y, basándose en este modelo, propuso tecnologías de control de roca circundante para corte del techo y alivio de presión, como la precorte concentrada. voladuras, cable de anclaje de gran deformación con resistencia constante y densos pilares individuales al lado de la carretera, que sentaron las bases para la implementación exitosa del corte del techo y el alivio de presión a lo largo de la carretera. Zhu6 y otros establecieron el modelo de análisis de confiabilidad de la estructura de soporte para la retención de la entrada lateral de la roca en un hundimiento de carbón superior totalmente mecanizado de acuerdo con la gran deformación de la roca circundante y muchas variables aleatorias en los parámetros mecánicos de la roca circundante, y obtuvieron la fórmula de cálculo para la Fiabilidad de la estructura de soporte. Zhang7,8,9,10 utilizó pernos "tres altos" + viga de cable de anclaje para soporte inicial, viga de cable de anclaje + lechada para refuerzo avanzado, viga de acero en forma de I + viga de techo articulada como soporte auxiliar, bombeo y relleno de material en pasta para construir la pared en la entrada del lado de la gota de contención de una carretera de roca blanda de alta presión en un pozo de 1000 m de profundidad, controlando efectivamente la deformación severa del lado y el techo de la entrada del lado de la gota de retención en profundidad. Hua11,12,13 llevó a cabo un estudio en profundidad sobre el mecanismo de deformación y falla de la roca circundante de la entrada lateral del gob bajo la condición de un techo compuesto de pozo profundo, y propuso contramedidas de soporte y esquemas técnicos de "reforzamiento paso a paso en todas las etapas". " y "refuerzo de la protección de la superficie" para la entrada lateral bajo la condición de techo compuesto de pozo profundo, que han logrado buenos resultados en la producción. Al mismo tiempo, los expertos nacionales y extranjeros también han logrado logros fructíferos en los aspectos de desastre dinámico14,15, soporte lateral de la carretera16,17 y control de la deformación de las rocas circundantes18,19,20 en el proceso de retención de la entrada lateral de la carretera.

Se puede ver que la retención de la entrada del lado del gob sigue siendo una tecnología minera segura y eficiente en la futura minería del carbón21,22,23, pero todavía existen muchos problemas técnicos en esta tecnología bajo las condiciones de condiciones geológicas complejas, alta presión dinámica en el condiciones profundas y otras. Por lo tanto, este artículo toma como fondo la cara de trabajo de la retención de entrada del lado de la gota para la extracción ascendente de una veta de carbón inclinada en la mina de carbón de Beipingdong, estudia la ley de falla de la roca circundante en la retención de la entrada del lado de la gota para la extracción ascendente de vetas de carbón inclinadas, y optimiza la estructura de soporte basándose en la ley de deformación y falla de la roca circundante, proporciona ideas para la extracción segura de entradas laterales de goaf en vetas de carbón inclinadas similares.

El frente de trabajo 5449 de la mina de carbón Beipingdong está ubicado en el área minera de Wusi. El lado este del frente de trabajo está cerca del frente de trabajo 5447, y el lado oeste es el área no minera; El terreno son altas montañas sin edificaciones. El túnel de aire 5449 adopta principalmente cuatro vetas de carbón de buena calidad. El espesor de la veta de carbón es de 1,0 a 1,4 m, el espesor promedio del carbón es de 1,2 m, el ángulo de inmersión de la veta de carbón es de aproximadamente 29°, la pendiente de la cara de trabajo es grande, el rango del ángulo de inmersión es de 12° a 55°, el promedio es de 25° °. La parte superior directa de la veta de carbón 4 en la cara de trabajo es lutita arenosa de color negro gris oscuro, que contiene fósiles de plantas y nódulos de hierro, con un espesor de 0 a 10,8 m y un promedio de 5,4 m; El fondo directo del frente de trabajo es lutita de arena negra gris, que contiene fósiles de raíces de plantas, con un espesor de 0,9 a 4,24 my un promedio de 1,73 m; La cubierta principal del frente de trabajo es de arenisca fina de 4,17 m. El histograma de la parte superior e inferior de la veta de carbón se muestra en la Fig. 1.

Histograma completo de 5449 caras de trabajo.

La sección de la vía aérea 5449 en la mina de carbón de Beipingdong es trapezoidal, la altura del lado izquierdo de la vía es de 2000 mm, la altura del lado derecho es de 2400 mm, el ancho de la vía es de 2500 mm y el área de la sección neta de toda la vía es 4,4 m2. La sección de la carretera y la disposición de los pernos de anclaje se muestran en la Fig. 2.

Soporte de la sección de malla de pernos de la vía aérea en el frente de trabajo 5449.

A través de un experimento de simulación similar, se analiza la ley de evolución dinámica del colapso de la sobrecarga bajo la condición técnica de retención de entrada lateral en el frente de trabajo 5449 de la mina de carbón Beipingdong, así como la influencia de la recuperación del frente de trabajo en la deformación de la roca circundante de la carretera. revelando el papel del perno en la restricción de la deformación de la carretera durante la minería, obteniendo así el perno que desempeña un papel clave en el soporte de la carretera y optimizando aún más la disposición del soporte de los pernos de la carretera.

El dispositivo de plataforma de simulación experimental puede acomodar el tamaño del modelo de 2000 mm × 500 cm × 1400 mm. Con base en el tamaño del dispositivo experimental modelo y las condiciones de producción geológica en el sitio, se colocó un modelo de similitud física (largo × ancho × alto = 1500 mm × 500 mm × 1200 mm) a lo largo de la inclinación de la cara de trabajo. La relación de similitud entre cada cantidad física debe satisfacer la siguiente relación: Relación de similitud geométrica \(C_{L} = 20:1\), la altura libre y el ancho del modelo de calzada son 100 mm y 125 mm respectivamente, la varilla roscada de latón se utiliza para simular el perno de anclaje. Según la relación de similitud geométrica, la longitud de cada perno de anclaje es de 900 mm y el espacio entre filas entre pernos de anclaje es de 40 mm; la relación de similitud de densidad es \(C_{\gamma } = 2: 1\). Relación de similitud de tensiones \(C_{\sigma } = 40:1\), la carga uniforme aplicada en la parte superior del modelo es de 0,225 MPa mediante una conversión similar.

En el modelo, arena de río, cal, yeso y agua se mezclan uniformemente como materiales similares según la proporción especificada para capas de roca de diferente litología. Se utilizan tiras de madera para simular la extracción de vetas de carbón. La proporción de materiales utilizados para modelos de materiales similares está estrictamente de acuerdo con la Tabla 1. La vista general del modelo se muestra en la Fig. 3 y la ubicación de cada punto de monitoreo se muestra en la Fig. 3. Para evitar el límite Para evitar el efecto causado por las cuatro paredes irregulares de la plataforma durante el experimento, se coloca una película plástica sobre las cuatro paredes del banco de pruebas y se aplica aceite lubricante antes de colocar el modelo. Durante el experimento, los materiales de relleno al lado de la calzada se pavimentaron con materiales elastoplásticos comunes.

Vista general del modelo.

Durante el experimento, se disponen cinco líneas de monitoreo a 1 m, 2 m, 3 m, 4 my 5 m por encima de la veta de carbón, como se muestra en la Fig. 4. Se registran las coordenadas de los puntos de monitoreo y las coordenadas iniciales de cada extracción. y se registran los cambios de los estratos suprayacentes durante la minería.

Disposición de la línea de seguimiento.

El proceso de extracción del carbón suele ir acompañado del colapso de los estratos suprayacentes. Como uno de los parámetros característicos importantes, el desplazamiento de los estratos está estrechamente relacionado con la estabilidad de la roca circundante de la calzada. Por lo tanto, se traza la relación entre las cinco líneas de monitoreo sobre la carretera y la minería y el proceso de colapso de los estratos suprayacentes, como se muestra en las Figs. 5 y 6. Combinado con las Figs. 5 y 6, podemos ver la ley de evolución dinámica del colapso de los estratos superpuestos bajo diferentes avances mineros.

Cambiar la regla de desplazamiento vertical del estrato de roca del techo sobre la cara de trabajo durante la minería.

Proceso de colapso de sobrecarga durante la minería.

(1) En la etapa inicial, cuando el frente minero alcanza los 6 my 7 m, el hundimiento del techo comienza a aparecer sobre la carretera, pero el hundimiento es pequeño. El hundimiento del techo de carbón es mayor que el del techo de la carretera, y el desplazamiento máximo alcanza 182,1 mm a 2 m por encima del frente de trabajo; Debido a la influencia de la minería, los estratos sobre el costado del goaf están separados entre sí. El rango de separación se extiende hasta 16 m por encima del objetivo. Los estratos suprayacentes tienen una gran área de techo sobresaliente y se están derrumbando con la minería. El cuerpo de relleno al lado de la calzada debe soportar la tensión vertical de algunas capas del techo que sobresalen. Por lo tanto, una pequeña parte del macizo rocoso se exprime sobre la superficie del cuerpo de relleno al lado de la calzada.

(2) El colapso de todos los estratos de roca de bajo nivel en el lado del goaf conduce a un fuerte aumento en el hundimiento de los estratos de roca suprayacentes, lo que hace que la tensión se concentre en el lado del goaf, provocando una nueva separación de los estratos de roca de alto nivel. La roca colapsada se compacta gradualmente para soportar los estratos de roca de alto nivel, desacelerando ligeramente la tendencia de flexión y hundimiento de los estratos de roca de alto nivel. El hundimiento máximo se ubica a 5 m sobre el lado derecho de la calzada, y el hundimiento máximo alcanza los 359,6 mm; la grieta en el lado superior derecho de la carretera se extiende hasta la parte superior de la carretera, y todo el estrato de roca suprayacente se rompe a lo largo de la grieta y se asienta hacia el lado de la carretera. Como única estructura de soporte, el cuerpo de relleno del lado de la carretera necesita soportar la carga de un área más grande de roca del techo suspendida, por lo que el cuerpo de relleno del lado de la carretera queda severamente comprimido y destruido y pierde su capacidad de soporte.

En el proceso de un experimento de simulación similar, la tensión del perno de anclaje se monitorea en tiempo real, y la distribución del perno de anclaje y el sensor se muestra en la Fig. 7.

Distribución de pernos de anclaje y sensor de fuerza de pernos de anclaje.

Durante el experimento, se coloca una sección del perno de anclaje de acuerdo con el diseño del perno de anclaje en la vía aérea de la cara de trabajo 5449 de la mina de carbón de Beipingdong para monitorear la tensión axial del perno de anclaje durante el proceso de minería. La tensión axial del perno de anclaje durante el experimento se muestra en la Fig. 8.

Variación de tensiones de la varilla de anclaje.

Como se muestra en la Fig. 8, en la etapa inicial de minería, la amplitud de tensión del perno de anclaje M1 comienza a aumentar, y la del perno de anclaje M2 también comienza a aumentar, pero es ligeramente menor que la de M1, mientras que la de M3, Los pernos de anclaje M4 y M5 son relativamente suaves. Cuando la minería está cerca de los 8 m, M1 necesita soportar la presión de la calzada y los estratos suprayacentes en el goaf. Por lo tanto, cuando se completa la extracción de estratos y se alcanza el equilibrio, la fuerza sobre el perno M1 es la mayor. Cuando el perno M3 alcanza la tensión límite que puede soportar, se rompe y falla. Por lo tanto, la fuerza sobre el perno cae repentinamente y continúa disminuyendo con la extracción después de caer a un cierto valor. La tasa de crecimiento de la fuerza de las varillas de anclaje M4 y M5 es estable y pequeña, y la fuerza de la varilla de anclaje M5 es siempre mayor que la de la varilla de anclaje M4 en todo el proceso.

A partir de este análisis, se puede ver que los pernos del techo juegan un papel clave en restringir la deformación de la calzada durante el proceso de extracción de la calzada lateral, especialmente los pernos en ambos lados de la calzada soportan una gran tensión, y los pernos laterales principalmente. Juega un papel en el fortalecimiento de la estabilidad del lado para evitar el colapso de la pared.

De acuerdo con la ley de destrucción del estrato rocoso en un experimento de simulación similar, en el proceso de extracción de retención de entrada del lado de la roca, el soporte lateral de la carretera es la estructura de soporte principal, que desempeña un papel vital en la estabilidad de la carretera. En el experimento, el ancho del relleno lateral de la carretera se tomó como valor fijo para el experimento. En esta sección se estudió el ancho de los apoyos laterales de la vía como variable clave, y se utilizó el software de simulación FLAC3D para simular la distribución de zonas plásticas bajo diferentes apoyos laterales de la vía, el propósito es simular y determinar el mejor ancho del cuerpo de relleno al lado de la vía. calzada.

Tamaño del modelo de simulación numérica: largo × alto × ancho = 100 m × 50 m × 50 m. Para el modelo numérico de 50 m, el espesor promedio de la veta de carbón es 1,2 m, la profundidad enterrada de la veta de carbón es 600 m, el peso unitario de la roca es 25 KN/m3, la densidad promedio del estrato de roca es 2700 kg/ m3, y el esfuerzo vertical inicial aplicado en la parte superior del modelo P = 9.0Mpa. Todo el modelo se divide en 970.587 unidades y 174.743 nodos. El modelo de simulación numérica FLAC3D se establece como se muestra en la Fig. 9. El lenguaje FISH integrado en FLAC3D se utiliza para establecer el sistema de soporte del modelo numérico de acuerdo con el diseño del perno en la carretera del pozo de mina original. El perno se introduce circularmente en el modelo y se aplica una cierta precarga. El modelo del sistema de soporte de pernos también se muestra en la Fig. 9. Las propiedades físicas y mecánicas de la roca se muestran en la Tabla 2.

Diagrama esquemático del modelo de cálculo numérico.

Para adaptarse lo más posible a la situación real en la obra, en el proceso de cálculo se utiliza el modelo de Mohr Coulomb. En el proceso de simulación, se supone que el modelo está bajo presión hidrostática, es decir, el coeficiente de presión lateral establecido es 1. Las condiciones de contorno de desplazamiento se aplican a la parte delantera, trasera, izquierda, derecha e inferior del modelo, mientras que el Se aplican condiciones de contorno de tensión en la parte superior. De esta manera, se fijan el límite inferior, los límites delantero y trasero, y los límites izquierdo y derecho del modelo. Todo el modelo está bajo aceleración de la gravedad y se aplica en la parte superior una carga uniforme igual al peso de la sobrecarga.

Las características de distribución de la zona plástica de la roca circundante son el índice clave para indicar el control de estabilidad de la roca circundante. La formación de la zona plástica rocosa circundante de la carretera es el resultado de múltiples factores. La forma de la zona plástica se ve afectada principalmente por el estado de tensión de la roca circundante. Por tanto, este apartado estudia la relación entre el ancho del cuerpo de relleno y la distribución de la zona plástica, y estudia la estabilidad de la calzada desde la perspectiva de la zona plástica. El diagrama de distribución de nubes de la división plástica después del cálculo de simulación se muestra en la Fig. 10.

Diagrama de distribución de distinción plástica de diferentes cuerpos de relleno.

El análisis comparativo de la Fig. 10 muestra que:

Cuando el ancho del cuerpo de relleno es de 0,5 my 1 m, la resistencia del cuerpo de relleno está lejos del requisito de soportar el techo debido a su ancho insuficiente, por lo que la zona plástica es grande en este momento, la zona de falla plástica es Muy desarrollado e interconectado, el cuerpo de relleno al lado de la carretera tiene fallas por tracción y falla por corte, y la roca circundante de la carretera está gravemente dañada.

Cuando el ancho del cuerpo de relleno aumenta a 1,5 my 2 m, el área plástica es mucho menor que 0,5 my 1 m. La rotura plástica en el techo de la calzada comienza a trasladarse al techo de la carrocería de relleno y disminuye. La roca del techo de la carretera es principalmente falla por corte. Cuando la anchura del cuerpo de relleno aumenta a 2,5 my 3 m, el área de la zona plástica se reduce significativamente y se puede controlar mejor el fenómeno de que las zonas plásticas estén interconectadas.

Puede verse en la Fig. 10e, f que cuando el ancho del cuerpo de relleno aumenta hasta un cierto valor, el aumento del ancho no hace que el rango de la zona plástica disminuya con el aumento del ancho, sino que tiende a un estado estable. . El aumento de la anchura del cuerpo de relleno puede provocar en algunas zonas un aumento de la zona plástica. Por lo tanto, el rango de distribución de la zona plástica y el ancho del cuerpo de relleno están en una relación de parábola cóncava. Considerando la estabilidad de la carretera, la dificultad de mantenimiento de la carretera y la economía, el mejor ancho del cuerpo de relleno debe ser de aproximadamente 2,5 m.

En el proceso de retención de la entrada lateral de la gota, el centro de gravedad de los estratos superpuestos de toda la cara de trabajo se desplazará hacia el lado de la barra. La estructura de soporte compuesta por el cuerpo de relleno del lado de la carretera y la varilla de anclaje inhibe eficazmente la deformación de la carretera, y el cuerpo de relleno del lado de la carretera desempeña un papel clave.

En la estructura del perno, el perno superior soporta una gran tensión en relación con el perno lateral en el proceso de minería, por lo que el perno superior mantiene principalmente la estabilidad de la carretera, y el perno lateral fortalece el costado y evita que el costado se apriete.

El rango de la zona plástica de la roca circundante de la carretera bajo diferentes anchos se simula mediante simulación numérica, y el ancho óptimo del cuerpo de relleno debe ser de aproximadamente 2,5 m desde la perspectiva de la estabilidad de la carretera, la dificultad de mantenimiento de la carretera y la economía, de modo que el rango de falla plástica bajo el ancho se puede controlar bien.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Descargar referencias

Este trabajo recibió el apoyo de las Fundaciones Nacionales de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52274117).

Facultad de Ingeniería de Recursos, Medio Ambiente y Seguridad, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hunan, Xiangtan, 411201, China

Hao Wu, Qingfeng Li, Chuanqu Zhu y Liao He

Instituto de Ingeniería de Minas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hunan, Xiangtan, 411201, China

Qingfeng Li

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HW y QL escribieron el texto principal del manuscrito y CZ preparó todas las figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Hao Wu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wu, H., Li, Q., Zhu, C. et al. Estudio de la ley de falla de la roca circundante en veta de carbón inclinada con entrada lateral de gota. Representante científico 13, 973 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28238-3

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Recibido: 26 de octubre de 2022

Aceptado: 16 de enero de 2023

Publicado: 18 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28238-3

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