Overburden failure and ground pressure behaviour of longwall top coal caving in hard multi-layered roof

• Autorzy: Zhu Zhijie , Wu Yunlong , Han Jun , Chen Ying

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.129370

Warianty tytułu

PL

Zawał warstw nadkładu w wielowarstwowym stropie i kształtowanie się ciśnienia warstw górnych górotworu w trakcie wybierania ścianowego prowadzonego na zawał

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the extra- thick coal seams and multi-layered hard roofs, the longwall hydraulic support yielding, coal face spalling, strong deformations of goaf-side entry, and severe ground pressure dynamic events typically occur at the longwall top coal caving longwall faces. Based on the Key strata theory an over-burden caving model is proposed here to predict the multilayered hard strata behaviour. The proposed model together with the measured stress changes in coal seam and underground observations in Tongxin coal mine provides a new idea to analyse stress changes in coal and help to minimise rock bursts in the multi-layered hard rock ground. Using the proposed primary Key and the sub-Key strata units the model predicts the formation and instability of the overlying strata that leads to abrupt dynamic changes to the surrounding rock stress. The data obtained from the vertical stress monitoring in the 38 m wide coal pillar located adjacent to the longwall face indicates that the Key strata layers have a significant influence on ground behaviour. Sudden dynamically driven unloading of strata was caused by the first caving of the sub-Key strata while reloading of the vertical stress occurred when the goaf overhang of the sub-Key strata failed. Based on this findings several measures were recommended to minimise the undesirable dynamic occurrences including pre-split of the hard Key strata by blasting and using the energy consumption yielding reinforcement to support the damage prone gate road areas. Use of the numerical modelling simulations was suggested to improve the key theory accuracy.

PL

Przy eksploatacji pokładów węgla o dużej miąższości i w warunkach stropu złożonego z wielu warstw górotworu w rejonie przodka ściany występuje szereg niekorzystnych zjawisk dynamicznych skutkujących zmianami ciśnienia górotworu: ugięcie podpór hydraulicznych stabilizujących strop, pękanie skały węglowej w rejonie przodka, silne odkształcenia chodnika od strony zrobów. W oparciu o teorię warstwy kluczowej (o największej nośności), zaproponowano model zawału warstwy nadkładu do prognozowania zachowania wielowarstwowej formacji złożonej ze skał twardych. Zaproponowany model w połączeniu z pomiarami zmian ciśnienia w pokładzie węgla oraz wynikami obserwacji w podziemnej kopalni węgla Tongxin umożliwia analizę zmian ciśnienia w złożu przyczyniając się do redukcji ryzyka wystąpienia tąpnięć w górotworze zbudowanym z wielu warstw skalnych. Uwzględniając charakterystyki podstawowych warstw kluczowych, model umożliwia prognozowanie wystąpienia niestabilności warstw nadkładu, które prowadzić mogą do gwałtownych zmian ciśnienia w otaczających warstwach. Dane z monitoringu naprężeń pionowych rejestrowane w filarze węglowym o szerokości 38 m zlokalizowanym w pobliżu przodka ściany wskazują, że warstwy kluczowe górotworu w zasadniczy sposób warunkują zachowanie się gruntu. Gwałtowne odprężenie warstw górotworu wskutek zjawisk dynamicznych spowodowane zawałem warstwy znajdującej się poniżej warstwy kluczowej przy ponownym obciążeniu wskutek naprężeń pionowych wystąpiło w momencie zawału nawisu górnej ławy warstwy znajdującej się poniżej warstwy kluczowej. W oparciu o te ustalenia, zaproponowano szereg rozwiązań mających na celu zminimalizowanie skutków niekorzystnych zjawisk dynamicznych, w tym wstępne rozszczepienie twardych warstw kluczowych poprzez wybuchy i zabezpieczenie obudową wejść do chodników, które mogłyby ulec uszkodzeniu. Zaproponowano wykorzystanie modelu wraz z symulacjami numerycznymi w celu poprawy dokładności teorii dotyczącej zachowania warstw kluczowych w górotworze.

Słowa kluczowe

EN

multi-layer hard roof; failure of overlying strata; ground pressure behaviour; longwall top coal caving

PL

strop złożony z wielu warstw skał twardych; zawał warstw nadkładu; zmiany ciśnienia gruntu; zawał stropu skały węglowej w rejonie przodka

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 3
• Strony: 575--590
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zhu Zhijie

• Liaoning Technical University, No.47 Zhonghua Road, 123000, Fuxin City, Liaoning Province, China
• State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, No. 1 University Road, 221116, Xuzhou CTTY, Jiangsu Province, China

autor

Wu Yunlong

• Liaoning Technical University, No.47 Zhonghua Road, 123000, Fuxin City, Liaoning Province, China

autor

Han Jun

• Liaoning Technical University, No.47 Zhonghua Road, 123000, Fuxin City, Liaoning Province, China

autor

Chen Ying

• Liaoning Technical University, No.47 Zhonghua Road, 123000, Fuxin City, Liaoning Province, China

Bibliografia

• [1] Guo W.B., Wang H.S., Dong G.W., Li L., Huang Y.G., 2017. A case study of effective support working resistance and roof support technology in thick seam fully-mechanized face mining with hard roof conditions. Sustainability 9, 6, 935-952.
• [2] He M., Guo Z., 2014. Mechanical property and engineering application of anchor bolt with constant resistance and large deformation. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineering 33, 7, 1297-1308.
• [3] He M., Gong W., Wang J., Qi P., Tao Z., Du S., 2014. Development of a novel energy-absorbing bolt with extraordinarily large elongation and constant resistance. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 67, 67, 29-42.
• [4] Jiang H.J., Cao S.G., Zhang Y., Wang C., 2016. Analytical solutions of hard roof’s bending moment,deflection and energy under the front abutment pressure before periodic weighting. International Journal of Mining Science and Technology 26, 1, 175-181.
• [5] Kai W., Kang T., Haitao L.I., Han W., 2009. Study of control caving methods and reasonable hanging roof length on hard roof. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineerin 28, 11, 2320-2326.
• [6] Li C.H., Zhang J.L., Cai M.F., Zhang L., Lin Q.H., 2009. Simulating test research of impacting disasters in coal mines. Journal of University of Science & Technology Beijing 31, 1, 1-9.
• [7] Li Y.F., Hua X.Z., Yang K., Li Z.H., 2015. Critical support resistance calculation in the working face of improving upper limit with hard roof and prevention countermeasures of support crushing. Journal of Mining & Safety Engineering 32, 5, 801-807.
• [8] Miao X., Qian M., 2000. Advance in the key strata theory of mining rockmass. Journal of China University of Mining & Technology 29, 1, 25-29.
• [9] Palchik V., 2005. Localization of mining-induced horizontal fractures along rock layer interfaces in overburden: field measurements and prediction. Environmental Geology 48, 1, 68-80.
• [10] Palchik V., 2003. Formation of fractured zones in overburden due to longwall mining. Environmental Geology 44 (1), 28-38.
• [11] Pang X.F., Zhang K.X., 2013. Study on characteristics of energy for hard roof fracture in island workface. Advanced Materials Research, 734-737.
• [12] Shen W.L., Bai J.B., Wang X.Y., Yu Y., 2016. Response and control technology for entry loaded by mining abutment stress of a thick hard roof. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 90, 26-34.
• [13] Shi H., Wang H. , 2010. Analysis of the dynamic stability of hard and thick strata of overlying multilayer spatial structures in deep coal mines and its application. Mine Safety and Efficient Exploitation Facing Challenges of the 21st Century, 291-297.
• [14] Wang J.A., Shang X.C., Hong L., Hou Z.Y., 2008. Study on fracture mechanism and catastrophic collapse of strong roof strata above the mined area. Journal of China Coal Society 33, 8, 850-855.
• [15] Wang K., Kang T.H., Li H., Han W.M., 2009. Study of control caving methods and reasonable hanging roof on hard roof. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 28, 11, 2320–2327.
• [16] Wang P., Jiang J.Q., Zhang P.P., Wu Q.L., 2016. Breaking process and mining stress evolution characteristics of a highposition hard and thick strata. International Journal of Mining Science and Technology 26, 4, 563-569.
• [17] Wei J.P., Jin Z.M., Tang Y., 2002. Numerical analysis of control of hard roof’s stepped cantilever structure for longwall mining with sublevel caving. Journal of Xiangtan Mining Institute 17, 4,15-19.
• [18] Wen Z.J., Jing S.L., Jiang Y.J., Tian L., Wen J.H., Cao Z.G., Shi S.S., Zuo Y.J., 2019. Study of the Fracture Law of Overlying Strata Under Water Based on the Flow-Stress-Damage Model. Geofluids.Volume, Article ID 3161852, 12 pages. Doi:10.1155/2019/3161852.
• [19] Wen Z.J., Xing E.R., Shi S.S., Jiang Y.J., 2019. Overlying strata structural modeling and support applicability analysis for large mining-height stopes. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 57, 94-100.
• [20] Wen Z.J., Tan Y.L., Han Z.Z., Meng F.B., 2016. Construction of Time-Space Structure Model of Deep Stope and Stability Analysis. Polish Journal of Environmental Studies 25, 6, 2633-2639.
• [21] Xu C., Yuan L., Cheng Y., Wang K., Zhou A., Shu L., 2016. Square-form structure failure model of mining-affected hard rock strata: theoretical derivation, application and verification. Environmental Earth Sciences 75, 16, 1180.
• [22] Xu J.L., Qian M.G., 2000. Method to distinguish key strata in overburden. Journal of China University of Mining & Technology 29, 5, 463-467.
• [23] Yong Y., Tu S., Zhang X., Bo L., 2015. Dynamic effect and control of key strata break of immediate roof in fully mechanized mining with large mining height. Shock and Vibration 4, 1-11.
• [24] Yu B., 2016. Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coal caving method. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 8, 2, 238-247.
• [25] Zhu D., Qian M., Xu L., 1991. Discussion on control of hard roof weighting. Journl of China Coal Societ 16, 2, 11-20.