Kiểm soát áp lực mỏ bằng cách tác động lên các lớp đá cứng ở độ cao lớn thông qua sự nứt đất

Springer Science and Business Media LLC - Tập 8 Số 6 - Trang 1336-1350 - 2021
Rui Gao1, Tiejun Kuang2, Yanqun Zhang2, Wenyang Zhang2, Chunyang Quan2
1College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, China
2Jinneng Holding Group, Datong, China

Tóm tắt

Tóm tắtKhi khai thác các lớp than siêu dày, nguyên nhân chính gây ra áp lực đất mạnh là do các tầng đá dày và cứng, nhưng đến nay vẫn chưa có công nghệ kiểm soát hiệu quả và chủ động nào. Bài báo này đề xuất phương pháp tác động lên các lớp mái cứng bằng cách nứt đất, và mô phỏng vật lý được sử dụng để nghiên cứu tác động kiểm soát của nứt đất đối với cấu trúc tầng và sự giải phóng năng lượng. Kết quả cho thấy nứt đất làm thay đổi các đặc điểm cấu trúc của tầng đá và giảm cường độ giải phóng năng lượng cũng như phạm vi không gian của chuyển động lớp đất che phủ, từ đó tác động đáng kể đến áp lực đất. Khu khai thác Datong ở Trung Quốc được chọn làm bối cảnh kỹ thuật. Một thử nghiệm kỹ thuật đã được thực hiện tại chỗ bằng cách nứt đất qua giếng ngang, và một lớp đá cứng dày 20 mét nằm cách lớp than 110 mét theo chiều thẳng đứng đã được chọn làm lớp nứt. Theo dõi vi địa chấn tại hiện trường cho thấy chiều dài lan truyền vết nứt lên đến 216 mét và chiều cao đạt tới 50 mét. Giám sát áp lực mỏ tại chỗ cho thấy (1) biến dạng lối đi được giảm xuống còn 100 mm, (2) các đặc tính tải trọng chu kỳ của các hỗ trợ thủy lực không rõ ràng, và (3) áp lực đất tại mặt làm việc được kiểm soát đáng kể, từ đó cho thấy quá trình nứt đất đã thành công. Nứt đất đã thay đổi các đặc tính phá hủy của các tầng đá cứng ở độ cao lớn, qua đó giúp cải thiện sự tập trung ứng suất trong khu vực khai thác và cung cấp một phương pháp kiểm soát hiệu quả cho đá cứng.

Từ khóa

#Nứt đất #áp lực mỏ #lớp đá cứng #khai thác than #giám sát vi địa chấn

Tài liệu tham khảo

Bandyopadhyay K, Mallik J, Ghosh T (2020) Dependence of fluid flow on cleat aperture distribution and aperture–length scaling: a case study from Gondwana coal seams of Raniganj formation, Eastern India. Int J Coal Sci Technol 7(1):133–146

Bednarek L, Majcherczyk T (2020) An analysis of rock mass characteristics which influence the choice of support. Geomech Eng 21(4):371–377

Cheng XY (2019) Damage and failure characteristics of rock similar materials with pre-existing cracks. Int J Coal Sci Technol 6(4):505–517

Gao R (2018) The mechanism of ground pressure induced by the breakage of far-field hard strata and the control technology of ground fracturing. Dissertation, China University of Mining and Technology

Ge ZL, Mei XD, Lu YY, Tang JR, Xia BW (2015) Optimization and application of sealing material and sealing length for hydraulic fracturing borehole in underground coal mines. Arab J Geosci 8:3477

Guo WB, Liu CY, Wu FF, Yang PJ, Wu SF (2014) Analyses of support crushing accidents and support working resistance in large mining height workface with hard roof. J Chin Coal Soc 39(7):1212–1219

Ju JF, Xu JL (2013) Structural characteristics of key strata and strata behavior of a fully mechanized longwall face with 7.0 m height chocks. Int J Rock Mech Min Sci 58:46–54

Lan YW, Gao R, Yu B, Meng B (2018) In situ studies on the characteristics of strata structures and behaviors in mining of a thick coal seam with hard roofs. Energies 11(9):2470

Li HM, Jiang DJ, Li DY (2014) Analysis of ground pressure and roof movement in fully-mechanized top coal caving with large mining height in ultra-thick seam. J Chin Coal Soc 39(10):1956–1960

Li Z, Xu JL, Ju JF, Zhu WB, Xu JM (2018) The effects of the rotational speed of voussoir beam structures formed by key strata on the ground pressure of stopes. Int J Rock Mech Min Sci 108:67–79

Lu YY, Cheng L, Ge ZL, Xia BW, Li Q, Chen JF (2015) Analysis on the initial cracking parameters of cross-measure hydraulic fracture in underground coal mines. Energies 8(7):6977–6994

Lu YY, Gong T, Xia BW, Yu B, Huang F (2018) Target stratum determination of surface hydraulic fracturing for far-field hard roof control in underground extra-thick coal extraction: a case study. Rock Mech Rock Eng 52(8):2725–2740

Ning JG, Wang J, Jiang LS, Jiang N, Liu XS, Jiang JQ (2017) Fracture analysis of double-layer hard and thick roof and the controlling effect on strata behavior: a case study. Eng Fail Anal 81:117–134

Sampath KHSM, Perera MSA, Ranjith PG, Matthai SK, Rathnaweera T, Zhang G, Tao X (2017) CH4–CO2 gas exchange and supercritical CO2 based hydraulic fracturing as CBM production-accelerating techniques: a review. J CO2 Utiliz 22:212–230

Tan YL, Liu XS, Shen B (2018) New approaches to testing and evaluating the impact capability of coal seam with hard roof and/or floor in coal mines. Geomech Eng 14(4):367–376

Wang J, Ning JG, Qiu PQ (2019) Microseismic monitoring and its precursory parameter of hard roof collapse in longwall faces: a case study. Geomech Eng 17(4):375–383

Wang J, Yang JX, Wu FF, Hu TF, Faisal AS (2020) Analysis of fracture mechanism for surrounding rock hole based on water-filled blasting. Int J Coal Sci Technol 7(4):704–713

Xia BW, Jia JL, Yu B, Zhang X, Li XL (2017) Coupling effects of coal pillars of thick coal seams in large-space stopes and hard stratum on mine pressure. Int J Min Sci Technol 27:965–972

Xie JL, Xu JL (2017) Effect of key stratum on the mining abutment pressure of a coal seam. Geosci J 21(2):267–276

Yang JX, Liu CY, Yu B (2015) Mechanism of complex mine pressure manifestation on coal mining work faces and analysis on the instability condition of roof blocks. Acta Geodyn Geomater 12(1):101–108

Yang JX, Liu CY, Yu B (2017) Application of confined blasting in water-filled deep holes to control strong rock pressure in hard rock mines. Energies 10:1874

Yang JX, Liu CY (2017) Experimental study and engineering practice of pressured water coupling blasting. Shock Vib 2017:5484598. https://doi.org/10.1155/2017/5484598

Yan H, Zhang JX, Zhang S, Zhou N (2018) Physical modeling of the controlled shaft deformation law during the solid backfill mining of ultra-close coal seams. B Eng Geol Environ 2:1–14

Yu B (2016) Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coal caving method. J Rock Mech Geotech Eng 8:238–247

Yu B, Duan HF (2014) Study of roof control by hydraulic fracturing in full-mechanized caving mining with high strength in extra-thick coal layer. Chin J Rock Mech Eng 33(4):778–785

Yu B, Gao R, Kuang TJ, Huo BJ, Meng XB (2019) Engineering study on fracturing high-level hard rock strata by ground hydraulic action. Tunn Undergr Sp Tech 86:156–164

Yu B, Zhao J, Kuang TJ, Meng XB (2015) In situ investigations into overburden failures of a super-thick coal seam for longwall top coal caving. Int J Rock Mech Min Sci 78:155–162

Yu B, Zhao J, Xiao HT (2017) Case study on overburden fracturing during longwall top coal caving using microseismic monitoring. Rock Mech Rock Eng 50:507–511

Zhang HW, Zhu ZJ, Huo LJ, Chen Y, Huo BJ (2014) Overburden failure height of superhigh seam by fully mechanized caving method. J Chin Coal Soc 39(5):816–821

Zuo JP, Wang JT, Jiang YQ (2019) Macro/meso failure behavior of surrounding rock in deep roadway and its control technology. Int J Coal Sci Technol 6(3):301–319