Variation of strata pressure and axial bolt load at a coal mine face under the effect of a fault

• Autorzy: Shi Hao , Zhang Houquan , Song Lei , Wu Yu

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.128688

Warianty tytułu

PL

Zmienność ciśnienia górotworu i obciążenia osiowe działające na segmenty obudowy w rejonie przodka spowodowane obecnością uskoków

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The cohesion and internal friction angle were characterized as quadratic functions of strain and were assumed to follow the Mohr-Coulomb criterion after the yield of peak strength. These mechanical parameters and their variations in post-peak softening stage can be exactly ascertained through the si-multaneous solution based on the data points of stress-strain curves of triaxial compression tests. Taking the influence of the fault into account, the variation of strata pressure and roadway convergence with coal advancement, the temporal and spatial distribution of axial bolt load were numerically simulated by FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua) using the ascertained post-peak mechanical parameters according to the cohesion weakening and friction strengthening model. The change mechanism of axial load of single rock bolt as abutment pressure changes was analyzed, through the comparison analysis with the results of axial bolt load by field measurements at a coal mine face. The research results show that the simulated results such as the period of main roof weighting, temporal and spatial distribution of axial bolt load are in accordance with field measurement results, so the validity of the numerical model is testified. In front of the working face, the front abutment pressure increases first and then decreases, finally tends to be stable. A corresponding correlation exists between the variation of axial bolt load and rock deformation along the bolt body. When encountered by a fault, the maximum abutment pressure, the influential range of mining disturbance and the roadway convergence between roof and floor before the working face are all increased. In the roadways along the gob, axial bolt loads on the side of the working face decrease, while the other side one increases after the collapse of the roof. As superficial surrounding rock mass is damaged, the anchoring force of rock bolts will transfer to inner rock mass for balancing the tensile load of the bolts.

PL

Zwięzłość skał oraz kąt tarcia wewnętrznego zdefiniowano jako kwadratowe funkcje naprężenia, następnie przyjęto że ich rozkład po osiągnięciu naprężenia granicznego opisany jest wzorem Mohra-Coulomba. Wymienione parametry mechaniczne i ich zmienność po osiągnięciu naprężenia granicznego obliczyć można dokładnie poprzez jednoczesne rozwiązanie oparte o analizę punktów na krzywej wykresu rozciągania uzyskanych w testach ściskania trójosiowego. Uwzględniając wpływ obecności uskoku, zmienność ciśnienia w górotworze i konwergencji chodnika wraz z postępem przodka, rozkłady naprę-żeń i obciążeń działających na segmenty obudowy i ich zmienność w czasie i przestrzeni modelowano w oparciu o pakiet FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua), wykorzystując uprzednio obliczone wielkości parametrów mechanicznych dla stanu po osiągnięciu naprężenia granicznego, zgodnie z mo-delem słabnącej zwięzłości i wzmocnionego tarcia. Mechanizm zmiany naprężeń osiowych działających na pojedynczy segment obudowy analizowano w odniesieniu do ciśnienia warstw sąsiadujących, poprzez analizę porównawczą wyników pomiarów obciążeń segmentów obudowy w rejonie przodka. Wykazano, że wyniki symulacji: okresy obciążenia stropu, rozkłady naprężeń i obciążeń działających na elementy obudowy i ich zmienność w czasie i przestrzeni zgodne są z wynikami pomiarów w miejscu, w ten sposób potwierdzając wiarygodność modelu numerycznego. W rejonie przodka ciśnienie warstw sąsiadujących w górotworze najpierw rośnie, następnie maleje, a w końcu stabilizuje się. Istnieje odpowiednia korelacja pomiędzy zmiennością rozkładu naprężeń i obciążeń działających na elementy obudowy a odkształceniem warstw skalnym wzdłuż konstrukcji obudowy. W przypadku wystąpienia uskoku, występuje maksymalne ciśnienie warstw otaczających- poważny czynnik powodujący wszelkiego rodzaju zaburzenia a także nasilenie konwergencji chodnika pomiędzy stropem a podłożem w rejonie przed przodkiem. W chodnikach wzdłuż zrobów, obciążenia osiowe obudowy działające z jednej strony maleją, po drugiej zaś stronie rejonu przodkowego rosną po zawale stropu. Płytka warstwa otaczającego górotworu ulega zniszczeniu, siła podtrzymująca obudowę przeniesiona zostanie wewnątrz górotworu, tak by zrównoważyć naprężenia rozciągające działające na obudowę.

Słowa kluczowe

EN

FLAC3D numerical simulation; axial bolt load; strata behavior; mining and fault effect; strain-softening model

PL

symulacje numeryczne FLAC 3D; naprężenia osiowe działające na obudowę; zachowanie górotworu; górnictwo; efekt uskoku; model odprężania

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 2
• Strony: 351--374
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Shi Hao

• State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China
• School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu 221116, China

autor

Zhang Houquan

• State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China
• School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu 221116, China

autor

Song Lei

• State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China
• School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu 221116, China

autor

Wu Yu

• State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China
• School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu 221116, China

Bibliografia

• [1] Chen Y.L., Zhang H.Q., Wu Y., Zhang G.M., Zhang L.Q., 2016. Study on the Relationship between Mining Pressure and Axle Force of Anchor Rod. Journal of Coal Science 41 (5), 1106-1110.
• [2] Diederichs M.S., 2007. The 2003 Canadian Geotechnial Colloquium: Mechanistic interpretation and practical application of damage and spalling prediction criteria for deep tunneling. Canadian Geotechnical Journal 44 (9),1082-1116.
• [3] Ding S., Jing H., Chen K., Xu G.A., Meng B., 2017. Stress evolution and support mechanism of a bolt anchored in a rock mass with a weak interlayer. International Journal of Mining Science and Technology 27 (3), 573-580.
• [4] Freidin A., Neverov A., Neverov S. A., 2016. Geomechanical assessment of compound mining technology with backfilling and caving for thick flat ore bodies. Journal of Mining Science 52 (5),933-942.
• [5] Hajiabdolmajid V., Kaiser P.K., Martin C.D., 2002. Modelling brittle failure of rock. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 39 (6), 731-741.
• [6] He H., 2012. Study on spatial structure evolution and induced mining mechanism of overlying strata in coal mine. Journal of Coal Science 37 (7),1245-1246.
• [7] He Y.N., Zhang H.Q., 2008. Discussion on theory and practice of partitioning of deep surrounding rock. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 20 (11), 2369-2375.
• [8] Itasca Consulting Group, Inc., 2012. Fast Language Analysis of continue in 3 dimensions, version 5.0, user’s manual. Itasca Consulting Group, Inc.
• [9] Jiang L., 2016. Research on the law of surrounding rock movement and occurrence of underground pressure in 1272 (3) large mining height face in Dingji Mine. Anhui University of Science and Technology.
• [10] Li W.T., Li S.C., Feng X.D., Li S.C., Yuan C., 2011. Study on post-strain softening mechanical behavior of rock based on Mohr-Coulomb criterion. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 30 (7),1460-1466.
• [11] Li W.T., Wang Q., Li S.C., Wang D.C., Huang F.C., Zuo J.Z., 2014. Deformation and Failure Mechanism and Control of Surrounding Rock in Deep Roof Coal Seam. Journal of Coal Science 39 (1), 47-56.
• [12] Liu S.H., 2016. Comparison and Application of Axial Force Loss of Bolt under Blasting Vibration in FLAC3D. Acta Coal Science 41 (11), 2721-2733.
• [13] Meng S., 2009. Development of FLAC3D Preprocessing Program and Its Engineering Application. Anhui University of Science and Technology.
• [14] Qian M.G., Shi P.W., Xu J.L., 2010. Mine pressure and rock formation control. China University of Mining and Technology Press, Xuzhou, China.
• [15] Rezae M., 2016. Development of an intelligent model to estimate the height of caving-fracturing zone over the longwall gobs, Neural Computing & Applications, 1-14.
• [16] Su H.J., Jing H.W., Zhao H.H., Yu L.Y., Wang Y.C., 2017. Strength degradation and anchoring behavior of rock mass in the fault fracture zone. Environmental Earth Sciences 76 (4),179.
• [17] Tao Z.G., Zhao F., Wang H.J., Zhang H.J., Peng Y.Y., 2016. Innovative constant resistance large deformation bolt for rock support in high stressed rock mass. Arabian Journal of Geosciences 10 (15), 341.
• [18] Tutlu Levent oğlu, Ferid Öge İbrahim, Celal Karpuz., 2015. Relationship between pre-failure and post-failure mechanical properties of rock material of different origin. Rock Mechanics & Rock Engineering 48 (1), 121-141.
• [19] Wu Y.P., Zhai J., Xie P.S., Wu X.M., Zhuo Q.S., 2013. Study on looseness of roadway surrounding rock based on ground penetrating radar detection technology. Coal Science and Technology 41 (3), 32-34.
• [20] Xu C., Yuan L., Cheng Y.P., Wang K., Zhou A.T., Shu L.Y., 2016. Square-form structure failure model of mining-affected hard rock strata: theoretical derivation, application and verification. Environmental Earth Sciences 75 (16), 1180.
• [21] Xu T., Yang T.H., Chen C.F., Liu H.L., Yu Q.L., 2015. Mining induced strata movement and roof behavior in underground coal mine, Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources 1 (3-4), 79-89.
• [22] Zhang F., Sheng Q., Zhu Z.Q., Zhang T.H., 2008. Study on post-peak mechanical properties and strain softening model of Three Gorges granite. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering (S1), 2651-2655.
• [23] Zhang H.Q., He Y.N., Zhou J.J., Han L.J., Jiang B.S., Shao P., 2010. Study on Variation Law of Strength of Rock Damage Process. Journal of Rock Mechanics and Engineering 29 (S1), 3273-3279.
• [24] Zhang H.Q., Miao X.X., Zhang G.M., Wu Y., Chen Y.L., 2017a. Non-destructive testing and pre-warning analysis on the quality of bolt support in deep roadways of mining districts. International Journal of Mining Science & Technology (6), 989-998.
• [25] Zhang H.Q., Shi H., Li M., Wu Y., Chen Y.L., Zhang G.M., 2017b. Study on stability of coal pillars in fully mechanized coal mining face based on axial force measurement of bolt. Journal of Coal Science 42 (2), 429-435.
• [26] Zhang H.Q., Tannant D.D., Jing H.W., Nunoo S., Niu S.J., Wang S.Y., 2015. Evolution of cohesion and friction angle during microfracture accumulation in rock. Natural Hazards 77 (1), 497-510.
• [27] Zhang K., Zhang G.M., Hou R.B., Wu Y., Zhou H.Q., 2015. Stress Evolution in Roadway Rock Bolts During Mining in a Fully Mechanized Longwall Face, and an Evaluation of Rock Bolt Support Design. Rock Mechanics & Rock Engineering 48 (1), 333-344.
• [28] Zhang K., Wu Y., Zhou Y.J., Xue D.C., 2013. Development and application of non-destructive testing technology for non - full Length bonded bolt in coal mine. China University of Mining and Technology Press, Xuzhou, China.
• [29] Zhang M., Shimada H., Sasaoka T., Matsui K., Dou L., 2014. Evolution and effect of the stress concentration and rock failure in the deep multi-seam coal mining. Environmental Earth Sciences 72 (3), 629-643.
• [30] Zhang N.B., Liu C.Y., Yang P.J., 2016. Flow of top coal and roof rock and loss of top coal in fully mechanized top coal caving mining of extra thick coal seams. Arabian Journal of Geosciences 9 (6), 1-9.
• [31] Zhou M., 2016. Non-nondestructive testing of axial force of roadway in mining roadway. Coal Mine Safety 47 (3), 212-214.