英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
应力状态对有冲击倾向性深煤层的影响：
以实例分析
摘要
应力作用是影响煤层和岩石破裂的主要自然因素之一，特别是在深煤层中。分段崩落法是影响这种应力状态的最重要的方法之一，是提高矿井瓦斯含量的重要参数。本文提出了一种实用的实例，说明了深矿层下垂直煤层的应力反应。该现场研究包括两个不同的地点，Riosa-Olloniego煤田(西班牙阿斯图里亚斯)的两个矿井，目前在1000米深处的地下开采法开采。该研究分析了某一特定煤层的崩落对煤层本身的上部和下部的影响，以及相邻煤层的影响，目的是比较不同的开采顺序对此产生的影响。现场测量有两个目的:测试相邻工作面对8号煤层及其含煤地层的影响，验证应力-应变变化对冲击地压发生的影响。除了实现这些目标之外，这项工作还提供了一些数据，以便校准可能的数值模型，以便模拟矿井中目前和未来的情况，并有助于改善有冲击倾向性的深煤层采矿工作的安全条件。
关键词
煤矿;甲烷;压力;变形;仪器仪表;分段采矿
1.前言
由于多种原因，深煤层开采异常困难。在很深的地方，岩石的高应力是不可避免的，由于应力不仅在岩石中增加，而且在煤层本身，也会发生突发性的爆炸事故，如岩爆和冲击地压。此外，地下工作环境极具挑战性。这意味着，只有当矿石具有较高的增值价值或对这些矿山的战略需要为其开采提供正当理由时，开采深矿才对技术先进的方法有利。这是San Nicolas和Montsacro mines(西班牙阿斯图里亚斯)8号煤层的情况。尽管有许多负面因素导致开采困难:高深度，甲烷气体的含量和发生的风险，通常被定义为气体爆发(包括冲击地压，粉尘爆炸，气体爆炸和岩爆)，但它的开采是合理的。
这种风险取决于一系列因素，通常是结合在一起的，这些因素可能被归类为采矿工作本身和自然发生所引起的因素。后者是:地质特征、瓦斯含量、煤本身的结构(特别是其孔隙度、脱附动力学和渗透性)、煤层的应力状态及其周围的岩体、顶板和底板。
负责上述采矿的技术专家一直在估计煤层的应力状态，方法是根据面端预测计算，以建立潜在的危险区域。这些压力过大的地区与工作面重叠、煤工作面工作的中断、未开采的煤层和未开采的煤柱作为保护区域(例如，横切或风机站的区域)有关。然而，理论计算仍然仅仅是估计。他们可能对正在发生的事情有一个定性的概念，但一般不提供定量的信息。当条件与所表述的条件不同时，它们也存在不准确之处。
案例研究表明了在评估地下挖掘的影响和为安全操作和控制提供基础时，多参数测量活动的价值。为了提供一幅精确的关于采动应力变化的图像，以及它们对模型校准和使它们参与最终设计的验证，测量应力的变化被证明是有用的。
事实上，在过去的35年里，许多技术都被用于测定地应力。由ISRM（国际岩石力学学会）推荐，本文提出了四种测量应力的直接方法:flatjack试验、水力压裂试验、USBM过芯鱼雷和CSIRO超芯测量仪。那些基于回收原理的是最常用的。
然而，在本研究中，由于过度取芯所带来的困难，以及缺乏足够的设备和以往的经验，因此不可能使用过度取芯技术。事实上，在该地区观测到的仪器数据是非常缺乏的，因为在西班牙采矿的深度上从来没有测量过应力值或变形(在提到煤时，甚至连较浅的煤层都没有测量)。这些信息的需要加上过度取芯技术的困难，使得这项研究有了合理性，它的目的是寻找其他的替代方法，包括测量岩体应力-应变状态的变化。此外，测量应力状态的变化可以被认为是向前迈出的一步，并将服务于主要范围，以确定不同选项之间最佳的挖掘顺序。
现场研究,包括仪器设备的安装和采取的测量,出现了一个额外的困难,因为他们是在艰苦的条件下:在深矿井,在明显不稳定的空气中(灰尘、潮湿、热等),离矿井远(使操作极其困难的不可预见的事件),空间少和不干扰的条件在煤矿生产工作。实地研究是在收集数据的情况下完成的:在某些情况下日常进行，在其他情况下按每月进行，在使用最昂贵的测量设备的情况下每月或双月进行。
在描述了工作所处的区域和其最重要的地质力学性质之后，本研究着重于应力变化和变形的测量，描述所得到的结果。最后，总结本研究的主要结论。
2.地点简介
在阿斯图里亚斯，由两种不同的矿井开采出了具有冲击倾向性的的第八煤层(第八煤层):圣尼古拉斯(阿伯拉娜，米耶尔)和蒙特萨罗(Riosa)，处于里龙-奥尼翁的煤田。它属于一系列总厚度为10.26米的圣尼可拉斯和总厚度为15.13的，位于阿斯图里安盆地中部的Montsacro—坎塔布里山脉最大的煤炭盆地。图1显示了西班牙煤田的位置和研究区域的详细情况。
图1 西班牙煤田的位置和研究区域
第8号煤层，向北倾斜70-80度，平均厚度为2.5 m，有一个由泥岩(石板)和一个悬壁或砂岩顶板组成的地质层。在阿斯图里亚盆地中部，含煤地层的孔隙度和渗透率都很低，而瓦斯涌出的主要途径为开放性裂缝。在研究过程中，我们分析了与瓦斯有关的主要煤质特性。平均孔隙率为7.5%，煤气量在4.95 ~ 8.10 m3/t之间，平均值为5.10 m3/t。气体解吸率(定义为甲烷的体积,用立方厘米表示,在35 - 70s的35秒时间内，从粒度在0.5和0.8毫米之间的10 g煤样品中吸收的甲烷体积的测试)的最大值一直在计算样本2、3和7 m:1.7cm3/(10 g 35 s)在2米深度,在3 米深度为3.3cm3/(10 g 35 s)在7米深度上升到3.4cm3/(10 g 35 s)。根据西班牙工业部的技术规范和采矿经验，避免“气体爆发”的关键安全值最初是2 cm3/(10 g 35 s)。在研究后，8号煤层的值降至1.5 cm3/(10 g 35 s)，因此，平均数值通常高于临界解吸率，这表明这一煤层的趋势导致了与气体相关的事故。在煤层中测量了气体压力及其变化，获得了较高的数值;较低的记录对应于Montsacro，而在San Nicolas高达480 kPa，这是在最大深度的气体压力测量中取得的。
另一个煤层，第7号煤层，位于第8号煤层的顶板上方约56米，煤层的厚度和倾角非常相似。然而，第7煤层不容易发生冲击地压，作为第8号煤层的保护性煤层，这已被证实是很适合开采的煤层。同样通过分段崩落法，它的开采对岩体的应力-应变表现有非常显著的影响，特别是第8号煤层的顶板。图2显示了两个煤层的示意图和工作的深度。
图2 7号和8号煤层的示意图
下面的数据显示了在这两种矿中使用的仪器的位置(图3中的San Nicolas和图4中的Montsacro)。仪器:在San Nicolas中安装了9个坚硬的包含单元，安装在两个子层上，用来测量压力变化(CIR和CIREX的数据;本文仅报告了San Nicolas中第一个子层的结果，因为它们是最具有代表性的;4个单元在蒙特萨罗，处于第一个亚层;INCREX探头对应力变化产生的变形进行分析(在圣尼古拉斯的SD1和SD2钻孔、蒙特卡罗的SD1和SD2钻孔);在San Nicolas钻孔SD1、SD2和SD3中埋设倾斜仪探头以及监控摄像机，以监控San Nicolas中的钻孔SCV-N。
图3 San Nicolas的仪器位置（前视图）
图4 Montsacro的仪器位置（前视图）
3.前期准备
在安装仪器之前，需要进行一些预测试以及地质力学分类来估计周围岩体的性质。这些属性既用于检测仪器的选择，也用于计算;它们还有助于确定正在监测的岩体的特征。
在实验室试验中，共进行了25次单轴抗压强度试验，并进行了20次抗张强度试验。霍克三轴测试允许提交由20个样本决定的凝聚力(c)和内摩擦角(phi;)给圆柱应力场。从18个直接剪切试验中得到了煤层的粘聚力和内摩擦角。表1综合了这些实验室测试的平均值。
现场试验完成了对八煤层及其承载层性能的综合研究。用施密特锤对砂岩中单轴抗压强度(sigma;cm)进行了20次试验。此外，在实验室样本或特定用途上，对钻孔的侧壁施加压力，完成了20个压力计测试。目的是通过一个OYO公司的Elastometer 2压力计探头来确定岩体的应力-应变关系。所有的试验都是根据ASTM标准和国际岩石力学协会的测试方法委员会进行的。根据Briaud的注意事项，修正了字段值，得到了旁压模量(Ep)的平均值，如表1所示。
岩体分类，特别是岩体质量等级，在矿山开采中得到了广泛的接受，主要是为了协助采矿的设计和支护的要求。岩体的特征是将以下质量指标分配给岩体:Bieniawski的分类系统RMR、Barton的隧道质量指数(Q)、Hoek和Brown的地质强度指数(GSI)。后者提供了一个在不同地质条件下估算岩体强度的系统。为了得到这三个指标，在第8号煤层的顶板和底板上测量了5个节点。虽然不同的地质力学站是独立分类的，但本文报告了表1的平均值。
岩体遭受的变形是由原位变形模量、Em和泊松系数所定义的，可以假定为与完整岩石相同。模量可以通过与地质力学分类结果的相关性间接估计。这种估计是很重要的，因为充分了解应力状态的变化不仅取决于所采用的方法，而且还取决于计算应力的参数的选择。
bieniawski提出,RMR gt; 55
Em（GPa）=2RMR-100 （1）
其中Em是GPa中表示的岩体的变形模量。Serafim和Pereira提出的表达式是：
Em=10（RMR-10）/40 （2）
上述表达式给出了变形模量的高值。因此，Eq.(3)可以使用(对于Qgt;1，一般来说，对于硬岩)
Em=25log10Q （3）
这些值只是近似值:深度、应力水平和应力或接头的各向异性对杨氏模量的值有影响。因此，利用Bieniawski Em1、Serafim、Pereira Em2和Barton Em3的公式对煤层周围岩石杨氏模量进行了估算。8号煤层顶板和底板的结果如表1所示。
表1
平均属性
根据不同的计算公式，8号煤层底板杨氏模量的平均值为12.66 GPa，而顶板的杨氏模量为26.85 GPa。这些值是用于计算应力变化的公式和进一步研究的数值模型。
最后，之前的工作，包括在Access 2000中为实现一个目的设计的数据库，一旦安装完毕，设备就提供了大量的数据和测量数据，否则很难管理。该数据库还提供了测量的输出图和结果(应力变化、变形等)，以及位于同一区域的设备的汇总图，从而可以比较结果。在这两个矿区中所取得的主要结果是通过这些表现的一些方法报告的。
4.应力变化的测量：刚性包体
在岩体中产生的应力，当一个空洞被挖掘时，在一定程度上会出现一系列变形。然而,主要的困难在于研究(对比隧道的反应或其他类型的线性工作)位于相邻巷道的影响,工作进展的速度(和屈服发生)和重叠的效果,有时会掩饰真正产生的应力-应变变化。
无论采矿系统如何，都有一些长期的预防措施以避免高的支承压力。这些措施，虽然可能会推测造成冲击地压和岩爆，但有助于改善岩体的应力状态。这些措施是:完全回收煤;确保工作应该从开口而不是向开口开始;长期提取线的实现;将开发工作的最低限度减少到被提取区域的以下或以上;并在可能的情况下实现了保护性煤层的预开采。
并不是所有的这些改进都适用于真正的工作矿井，这些会导致压力的变化。由于在第7和第8个煤层中进行了采矿工作，在矿井中安装了刚性包体，以估计岩体遭受的变化。作者以前曾在其他矿物的矿井中使用过这种类型的刚性包体，或用于其他采矿方法，例如房间和支柱系统，甚至与计算机监测相结合。
安装刚性包体的井孔是由钻孔和爆破方法开采的，大约有10米，经过第8号煤层，在其悬挂的墙壁上，有一个回收的钻孔机Turmag P-100-K。由于岩体的硬度和矿井的固有困难(空间不足、生产工作的干扰和短期的工作转移)，这些钻孔没有达到所要求的质量，使安装变得特别复杂。研究中使用了两种不同类型的刚性包体，如下所述。
4.1.振动线单元
它们测量了位于圆柱体内部的一根沿直径绷紧的振动线的共振频率的变化。因此，地面所遭受的任何变形都会引起圆柱的变形。这些频率通过由制造商给出的数学公式转化为应力的变化;修正系数取决于岩体的变形模量。所使用的电池是Geokon型号4300-NX，压缩应力范围可达100 MPa。
4.2.伸长计类单元
第二种类型的刚性包体是伸长型的。由Oviedo大学的研究小组开发，其测量范围可达250 MPa，精确度为0.05 MPa。在这些被称为CIREX的单元中，在惠斯通电桥中振动的导线被伸展的gages取代，这是空心包体和大多数过芯装置所使用的系统。岩体的应力变化是对岩体变形、单元初始标定和地面弹性模量的函数估计。
4.3.原位测量
在San Nicolas: CIR 1-1, 2-1和3-1的第一个子级中安装了3个单元。应力变化的结果如图5所示，其图例见表2。其中两种单元用于测定第7和第8煤层对应力变化的影响。
图5 San Nicolas的单元应力变化（第一个子级）
表2
图5的图例
每一个子级的米级在前进的零点处开
全文共11135字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11392]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
