Numerical simulation of stress-relief effects of protective layer extraction

• Autorzy: Jia T. , Zhang Z. , Tang C. , Zhang Y.

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna skutków odprężenia warstwy zabezpieczającej w trakcie jej wybierania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Field test and laboratory analog model test on the stress-relief effects of protective layer extraction are time-consuming and laborious. In this paper, on the basis of full consideration of rock heterogeinity and in combination with gas geology at Pingdingshan Mine 5, a numerical model was estalished with the gas-solid coupling rock failure process analysis system RFPA-Gas to simulate the stress variation law, roof and floor deformation, fracture evolution law, displacement in the protected seam, change in gas permeability and gas migration law during protective layer extraction. The simulation results repoduced stress variations in coal and rock strata, roof and floor deformation and fracture evolution process during protective layer extraction. The movement of rock strata were characterized by upper three zones and lower two zones: caving zone, fracture zone and bending subsidence zone in the vertical direction in the overlying strata; floor deformation and failure zone and elasto-plastic deformation zone in the vertical direction in the underlying strata. It showed that stress relief occurred in the protected seam, which led to vertical and horizontal displacements, significant increase in gas permeability, gas desorption and migration. Hence, the outburst threat in the protected seam was eliminated. Meanwhile, with comprehensive analysis of variaition of stress state, deformation characteristics and fracture distribution in coal seam and with consideration of changes in gas leakage rate, gas pressure and permeability, according to gas leakage rate, the floor strata of the protecive layer were divided into four leakage zones. They corresponded to four zones with different stress states and fracture development: original leakage zone - slow reducing leakage zone - dramatic increasing leakage zone- steady increasing leakage zone. This classification provides a clear direction for gas control in the protective layer. The simulation results are in good agreement with the stress-relief effects in field.

PL

Badania terenowe oraz modelowanie w warunkach laboratoryjnych skutków odprężenia warstwy zabezpieczającej w trakcie wydobycia są niezwykle czasochłonne i skomplikowane. Uwzględniając niejednorodność skał i wykorzystując dane geologiczne i o obecności gazów w kopalni Pindingshan 5, opracowano model numeryczny pękania skał w układzie gaz-ciało stałe w oparciu o analizę układu RFPA-Gaz. Model wykorzystano do symulacji zmian naprężeń, odkształceń stropu i spągu, propagacji pęknięć, przemieszczeń w pokładach zabezpieczonych, zmian w przepuszczalności gazów oraz migracji gazów w trakcie wybierania warstwy zabezpieczającej. Wyniki symulacji odwzorowują zmiany naprężeń, odkształceń stropu i spągu, propagacji pęknięć w trakcie wybierania warstwy ochronnej. Ruchy warstw górotworu scharakteryzowano poprzez analizę trzech stref nadkładu i dwóch stref lezących poniżej: w warstwach nadkładu: strefy zawału, strefy spękań oraz strefy osiadania (przemieszczenia w kierunku pionowym), w warstwach leżących poniżej: strefy odkształcenia i pękania spągu, oraz strefy odkształceń elastyczno- plastycznych w kierunku pionowym. Wykazano, że odprężanie miało miejsce w pokładzie zabezpieczającym, co prowadziło do powstania przemieszczeń pionowych oraz poziomych, zanotowano także znaczny wzrost przepuszczalności gazów, desorpcji gazów oraz ich transportu. Z tych względów zagrożenie wybuchem w pokładzie ochronnym zostało wyeliminowane. Całościowa analiza zmian stanu naprężenia, charakterystyki odkształceń i rozkładu pęknięć w pokładzie węgla przeprowadzona została dla czterech stref przecieku gazów, wydzielonych w oparciu zmiany natężenia wypływu gazów, ciśnienia gazów oraz przepuszczalności w odniesieniu do natężenia przepływu gazu w spągu w warstwie ochronnej. Te cztery strefy odpowiadały czterem strefom w których zanotowano odmienne stany naprężeń i rozkładu spękań: pierwotna strefa wycieku, powoli zmniejszająca się strefa wycieku, gramatycznie powiększająca się strefa wycieku i stopniowo powiększająca się strefa wycieku. Powyższa klasyfikacja dostarcza wyraźnych wytycznych dla prowadzenia kontroli wycieku gazu w warstwach ochronnych. Wyniki symulacji skutków odprężania wykazują dużą zgodność z wynikami badań terenowych.

Słowa kluczowe

EN

protective layer; stress relief; numerical simulation; leakage zones

PL

warstwa ochronna; odprężanie; symulacje numeryczne; strefa wycieku

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 2
• Strony: 521--540
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jia T.

• Institute of Gas Geology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, PR China

autor

Zhang Z.

• Institute of Gas Geology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, PR China

autor

Tang C.

• Institute of Rock Instability and Seismicity Research, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, PR China

autor

Zhang Y.

• School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, Shandong, PR China

Bibliografia

• Cheng Y.P., Yu Q.X., Yuan L., 2003. Gas extraction techniques and movement properties of long distance and pressurerelief rock mass upon exploited coal seam. Journal of Liaoning Technical University, 8, 22(4):483-486.
• Elune, 1992. Prediction and control Dynamic Phenomenon of Gas in Coal Mine. Tang X.Y., Song D.S., Wang R.L.
• Translation. Beijing: China Coal Industry Publishing House.
• Jia T.R., 2006. Study on gas control technology with mining close-range protective seam in Pingdingshan coal district. M.S. Thesis, Jiaozuo: Henan Polytechnic University.
• Liu Z.G., Yuan L., 2006. Study on Gas Extracting Technology of Gas Destressing and Gas Storage from Fractures inSurrounding Rock of Roof and Floor of the First-mined Seams. China Coalbed Methane, 3(2):11-15.
• Shi B.M., Yu Q.X., Zhou S.N., 2004. Numerical simulation of far-Distance rock strata failure and deformation causedby mining protecting stratum. Journal of China University of Mining & Technology, 33(3):259-263.
• Valliappan S., Zhang W.H., 1996. Numerical modeling of methane gas migration in dry coal seams. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 20(8):571-593. Wang L.J., Wang Y., Sun B.J. et al., 2008. Numerical Simulation Analysis on Coal and Rock Fracture Distribution afterExtraction of Protective Seam in Hong Ling Coal Mine. Mining Safety & Environmental Protection, 5, 1-3, 5.
• Yang D.M., 1992. Analysis for effect on extration of Lower Release Seam. Xuzhou: China University of Mining and Technology.
• Yang D.M., Yu Q.X., 1988. Study of the Earth Stress Variation after Extraction of Lower Release Seam in Gently InclinedStrata. Journal of China University of Mining & Technology, (1):32-38.
• Yang T.H., Tang C.A., Xu T. et al., 2004. Seepage Characteristic in Rock Failure-Theory, Model and Applications[M]. Beijing: Science Press.
• Yu B.F., 2004. Theory and practice of protective seam. China Coal Industry Publishing House.