电脑与地质技术学
伊利诺斯地下煤矿的湿敏顶板岩石与顶板的相互作用
文章历史：
收到2015.11.17
收到修订表格2016.6.13
接受2016.7.11
可在线2016.7.18
关键词:顶板破坏,水分敏性,数值模拟,岩石层理,锚杆
摘要:
本研究根据一个经过顶板冒落的案例水分变化的情况着重于矿井顶板岩石的性能变化。使用广泛的实验室和现场数据对顶部层类型，厚度和性能进行了测定。一种利用现场信息和
实测性能的数值模型正在开发之中。包括：（1）顶板岩石单元层之间的相互作用。（2）
顶板锚杆与岩石单元的相互作用。（3）含水率增加对顶板变形和破坏的影响。使用所提出的方法，可以估计出矿井顶板层故障前允许最大水分含量。2016出版社有限公司版权所有。
1.介绍：
地下矿山的长期稳定是非常关键的问题[ 1,2 ]。在隧道及地下工程施工中岩石的力学性质是非常重要的。抗压强度是地质力学中一个重要的岩石性能，可以通过美国试验方法和材料协会（ASTM）指南中的无侧限抗压强度试验（UCS）和轴向载荷（APL）实验测定出来[ 3,4 ]。
水分含量（MC）的变化的严重影响岩石的强度参数。由于含水岩石滴水进入矿山或洪水淹没矿山层，所以观察矿山顶部岩石含水率的增加是十分常见的事。这个含水率对强度参数的影响在稳定废弃矿山中起重要的作用[ 5 ]。当水渗入进入岩石，电子极地水分子紧贴岩石颗粒表面。其结果是，摩擦接触面以及岩石颗粒之间的连接将下降和岩石的强度将降低[ 6 ]。
含水量提高对强度降低的影响早已被研究，并且在几个之前的案例中体现出来了[6–10]。在Mohamad等人的研究中，[ 10 ]一系列来自采自Ayer Hitam，马来西亚的96页岩样品在不同的时间段被浸泡在水中。在APL测试中风化页岩样品在不同的水分含量都做了实验，根据研究结果，轴向载荷指标的平均值从4.4下降到1.1兆帕而MC值从0.9%增加到4%（即约强度降低24%则水分含量增加1%）。在他们的研究里也得出结论，与黑色页岩等较弱岩石相比增具有较高的轴向载荷的指标如石灰石或灰色页岩，对水分含量更容易增加。在另一个
研究中，Osouli和Moradi Bajestani [ 11 ]研究了以后章节的案例中地下矿山顶部页岩的含水量，在他们的研究中，对两种不同湿度条件下的岩样测试了轴向载荷和水分含量：
·自然的MC值（WN）：从所测试的样品测定后不久从地下收集。此值表示原岩含水量。
·风干MC值：由待测样品测定暴露在空气中并失去水分后的含水量。
在研究伊利诺斯煤矿，Osouli和Moradi Bajestani [ 11 ]得出结论，在自然的MC值中APL指标约高于1000kpa的页岩与较弱的岩石相比含水量更容易增加。在那研究，在自然MC状态下超过1000 kPa APL强度指标灰色页岩标本，APL强度平均降低29%，含水量增加约1%。在天然MC下小于1000 kPa的APL值的灰色泥岩，岩芯APL值减少21%的水分，强度增加1%。在研究的矿山中，在天然MC下APL值超过1000kpa的黑色页岩，平均每降低19%的APL值，含水量增加1%。然而，在研究的黑色页岩岩石样品中较弱的标本中的含水量的变化对强度的影响不是特别明显。最后，在研究的矿山中，自然MC下砂质页岩样品不管APL强度是多少都对水分的变化表现出类似的表现。砂质页岩样品的APL指数每平均减少17%，MC下含水量增加1%。
在许多地下矿山中，在活动的矿山活动面板中顶板是稳定的。但是，当矿山活动时，由于吸水或者被水侵蚀，在矿山运动过后，故障顶板可以被看到 [12]。初始岩石单位中的含水量时十分重要的。在矿山运作过程中因为排水或者通风含水量减少是很正常的，然后当矿山被遗弃后含水量就会增加。例如，在研究中的矿山osouli和莫拉迪的案例bajestani [ 11 ]，顶部的黑色页岩和采前的砂质页岩单元的平均水分含量分别为6%和5.7%。岩石采矿作业后，
黑色页岩和砂质页岩在活动面板中平均含水率为4.5%和3.7%。
然而，在被遗弃部分矿井，在那里没有通风，水分含量岩石单位已增加到高于采矿前的水平。更好地了解水分变化对地下矿山稳定性的影响，不仅有利于顶部控制措施的设计更安全，更高效，也可以预测潜在的危险区域，并最终防止事故发生。
本文旨在通过对osouli和Moradi Bajestani井下煤矿案例分析，研究含水率变化对地下洞室稳定性与冒顶事故预测的影响[ 11 ]。他们对从相同的岩石单元取出但是含水量不同的页岩样品进行了强度测试。他们在伊利诺斯煤田中使用广泛的测试结果数据库，了解Osouli
Moradi Bajestani [ 11 ]发展相关性MC变化和黑色页岩、砂页岩和灰色页岩的强度指数。
在本文中，这些相关性用于确定顶板岩石单元的抗压强度作为矿井含水量的增加量。为了研究MC变化对湿敏顶板岩石稳定性的影响并预测故障，实行了一种新的数值分析。使用实验室和现场试验为上述模型提取所需的地质力学和岩体力学参数。
开发的模型在井下矿山稳定和顶板访问信息的收集矿井位置的研究进行了验证。此外，验证的模型用于研究设计参数例如矿山洞室入口的宽度和顶部稳定围岩的厚度。所提出的方法可以用于类似顶板条件下的矿井顶板支护设计，避免主顶坠落。此外，还讨论了在对水分敏感性极弱的顶板岩石的研究矿山中如何用所测得的结果确定矿山顶部的发展时机，如何提前预测故障事件，以及如何在矿山运作期间保持主要入口一直处于开放状态。
- 敏湿顶部单元的稳定性
美国的伊利诺斯州的伊利诺伊州煤盆地大多数分布式扩展在印第安纳州西南部和肯塔基西部[ 13 ]。这个盆地主要包括古代沉积物和白云石颗粒组成的石灰石，砂岩，页岩 [ 13 ]。对于这个案例的矿井顶部条件是对AB两个位置的井下检查所得出来的，在图1上显示出来。该矿是在离地表73米的深处。该矿采用19m的房柱与5.5.m入口宽度的房柱法，该矿山的提取率约40%。
位置A具有稳定的顶部并与有许多故障顶部的位置B接近。图2显示了这些位置的顶部条件。矿山访问地点选择是根据他们的接近到可用的钻孔位置来，可到达的地下出口以及关于他们的直接顶部颗粒岩石实验室测试数据的可用性来确定的。基于钻孔日志和地下检查结果对房间高度，厚度，直接接触的顶部的岩石类型和地板单位进行了测定，如图3所示。
以前的一些研究调查顶板破坏准则。通过监测顶板变形，可以检测到煤矿顶板的稳定性和故障的发生。Maleki and Owens [14]在犹他瓦萨奇高原黑鹰组地下煤矿的两个房柱的位置记录了顶板的运动。据观察，在它经历了8厘米的垂直位移后，顶板发生了破坏在。在另一项由Gale[ 15 ]等人研究的实验中，探讨了地下煤矿顶板与顶板锚杆在开挖过程中的相互作用。案例研究的地点位于格林尼县，是宾夕法尼亚的北阿巴拉契亚煤盆地的翡翠矿。他们的研究表明，4.8米接触顶部受采矿过程的影响并且发生了5.5厘米的最大形变。此外，sarathchandran [ 16 ]通过一三维的数值分析研究了高水平应力对煤岩介质开挖稳定性的影响。从英国和印度的两个矿区获得的数值模型参数。研究表明，约4厘米的位移会引起接触矿顶单元故障发生。根据掉落的顶部颗粒厚度， 这对应于1.3%垂直应变。
在目前的研究中，经过与研究的矿山官员和运营商的磋商，并考虑到在其他矿上的上述调查情况，接触顶部的4厘米形变被认为是过度运动，这导致了顶部不稳定。因此，根据接触顶板单位的厚度导致矿山顶板破坏（见图3黑色页岩和砂质页岩单位），顶部垂直应变超过1.3%被认为是顶部故障或顶板将要掉落。
2.1.地质资料与地质检查报告
根据钻孔报告和地质检查报告，顶板在AB的位置如图3所示。据A-49钻孔的地质资料（如图1所示），煤层厚度（高度）2米，1米厚的粘土层在煤层之下（见图3）。黑色页岩的岩石单元（BSH）、砂质页岩（SSH），石灰石（LS）、粘土岩（CS）、砂质页岩（SSH）和石灰石（LS）的厚度分别为0.75m，2.25m，1m，3.75m，2m和3米，位于煤层之下。在地质检测报告中A位置由类似的岩石颗粒发现。然而，在地质报告中B位置检测到了局部0.5米厚的弱黄色灰色页岩黄脉（gsh-y）。上述颗粒在煤层下0.5m处，却不在钻孔报告中（见图3）。这被认为是在B位置存在这一层非常薄弱和水分含量很高的局部薄层，这导致了AB位置的主要区别。
除了孔A-49，在矿体上有超过40个孔并且岩芯覆盖了地板层，煤层，和顶部层。因此为这个研究成立了一个广泛的岩石实验测试数据资料库。根据岩石实验测试和地质报告，在AB位置可以得出结构完整性、表面质量、水分含量和消除顶板岩体单元耐久性指数。表1和表2显示了在这些位置的顶部层的地质数据。中岩体中的不连续性的强度是根据地下检查中观察到的不连续性之间的间距来确定的。同时，基于耐久性试验结果确定了岩体表面质量和水分敏感程度。根据胡克[ 17 ]，岩石的风化耐久性指数低于80%，并且在80%和92%之间被认为是严重和中度水分敏感的岩石。
2.2.顶板稳定性数值分析
数值模拟已被广泛用于分析煤矿矿井顶板稳定性和性能的–[16,18,22 ]。由于节理岩体的结构，Hoek Brown的广义版本（HB）本构模型已被以前的模拟煤矿研究者应用于数值模拟[ 16,18,21,23 ]。Hoek-Brown [ 24 ]提出了一种以破坏准则为代表的不连续岩体。因此，在煤矿中已经被运用或者用来模拟岩体颗粒。
在本文中为了模拟顶板的活动用7.0版本的FLAC2D[25]软件 来进行数值模拟。由于该矿是一个连接，所以应用Hoek Brown广义本构模型。在不同的湿度条件下的矿井顶板跨度的稳定性进行了模拟和顶部跨度的水分含量变化的性能进行了分析。在矿山调查期间，用最初的数据分析结果对矿顶性能在MC值记录下进行了模拟。了这个目的，在矿井调查期间对收集的岩石样品进行水分含量的测试。在这篇文章中，这些得到的含水量代表初始MC值并被称为“调查期间的MC值Wn”。在AB位置用地下结构观察来评估这些分析结果（见图1位置）。在下一个建模步骤中，对顶部矿层的水分含量的增量变化和顶部的活动进行了分析。
矿井的房间和支柱布局的典型横截面已建模。位置A处的建模横截面如图所示图4。在模拟的横截面的顶部边界处施加等效的上覆压力以模拟上覆岩层应力。根据Sarathchandran [16]，建模10 m的顶部和地板足以消除顶部和底部边界条件的影响。了最小化边界条件对模拟结果的影响，矿顶和地板的总厚度分别选择为33和10 m。为了最小化边界条件对模拟结果的影响，矿顶和地板的总厚度分别选择为33和10 m。矿层中的灰泥层和石灰岩层分别被认为是1m和10m厚。直接接触的顶部由两层厚度分别为0.75和2.25米的黑色页岩和砂质页岩组成。所提到的岩石颗粒被认为分别由厚度为1.0,3.75和2mu;m的石灰石，粘土岩和砂质页岩层覆盖（参见图4）。在位置B的情况下，顶部层中的唯一差别是在直接接触的顶部中，其由具有0.5,0.5和2m厚度的BSH，GSH-Y和SSH的三个岩石单元形成（参见图3）。
其他层的建模类似于位置A。
位置A（稳定的顶部）
米
北
钻孔
位置B（故障顶部）
辅平面
主平面
图1 AB在地下煤矿的位置
图2 地下煤矿稳定顶部的状况（左）与掉落顶部的状况（右）
接触顶部
位置A
位置B
灰色页岩的黄脉
媒矿层
砂岩层
黑色页岩层
粘土层
石灰层
图3从钻孔日志和井下检查获得的位置A和B有关的地质信息
图4为蓝本截面相关位置A
- 数值模拟方法
3.1岩石层建模方法
3.1.1组成模型
广义Hoek-Brown本构模型被分配到模拟中的矿顶和地板层[24]。代表破坏时最小和最大约束应力之间的非线性相关的广义Hoek-Brown本构模型如式（1）[24]
其中a，s和mb是Hoek-Brown常数，取决于岩石，rci是完整岩石的单轴抗压强度，r1和r3分别是失效时的最大和最小有效应力。a，s和mb的常数参数高度依赖于岩石的特性和类型。这些参数使用等式（2） - （4），均基于地质强度指数（GSI）[24]。
其中，在GSI是一个经验指数，它描述了岩单元的表面质量和结构。GSI应根据Hoek和Brown [24]提供的指南确定，根据岩石的质量和完整性，其范围为10至80。mi的参数是取决于岩石类型的常数值，其范围从4到33。Hoek和Brown [24]建议根据岩石类型确定mi值;然而，提供的指南是非常一般的。因此，Cai [26]提出的方法用于识别mi。由于Hoek-Brown破坏准则高度依赖于岩石的抗压强度，Cai [26]建议使用抗压强度指数与抗拉强度指数的比值来确定mi（见式（5））。
其中和是岩石的抗压强度和抗拉强度。在这项研究中，mi常数参数是使用研究的矿的每个岩层的平均UCS和ITS测试结果分别作为和的代表来确定的。
此外，根据Hoek-Brown [24]，Eq。 （6）来估计岩石的杨氏模量。是完整岩体的单轴抗压强度指数，GSI是岩体的地质强度指数。根据Osouli和Moradi Bajestani [11]和Osouli等人 [27]，岩石的APL和UCS指数依赖于他们的MC值，因此岩石的弹性模量取
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[141015]，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。
