Rib spalling is a major issue affecting the safety of steeply inclined coal seam. And the failure coal face and support system can be affected with each other to generate a vicious cycle along with inducing large-scale collapse of surrounding rock in steeply inclined coal seam. In order to analyze failure mechanism and propose the corresponding prominent control measures of steeply inclined coal working face, mechanical model based on coal face-support-roof system and mechanical model of coal face failure was established to reveal the disaster mechanism of rib spalling and the sensitive analysis of related factors was performed. Furthermore, taking 3402 working face of Chen-man-zhuang coal mine as engineering background, numerical model by using FLAC3D was built to illustrate the propagation of displacement and stress fields in steeply inclined coal seam and verify the theory analysis as mentioned in this study. The results show that the coal face slide body in steeply inclined working face can be observed as the failure height of upper layer smaller than that of lower layer exhibiting with an irregular quadrilateral pyramid shape. Moreover, the cracks were originated from the upper layer of sliding body and gradually developed to the lower layer causing the final rib spalling. The influence factors on the stability of coal face can be ranked as overlying strata pressure (P) > mechanical parameters of coal body (e.g., cohesion (c), internal fraction angle (φ)) > support strength (F) > the support force of protecting piece (F') > the false angle of working face (Θ). Moreover, the corresponding control measures to maintain the stability of the coal face in the steeply inclined working face were proposed.
Chang-Xiang Wang;Qing-Heng Gu;Meng Zhang;Cheng-Yang Jia;Bao-Liang Zhang;Jian-Hang Wang
Geomechanics and Engineering
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제36권5호
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pp.427-440
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2024
This study concentrates on the 301 comprehensive caving working face, notable for its considerable mining height. The roof model is established by integrating prior geological data and the latest borehole rock stratum's physical and mechanical parameters. This comprehensive approach enables the determination of lithology, thickness, and mechanical properties of the roof within 50 m of the primary mining coal seam. Utilizing the transfer rock beam theory and incorporating mining pressure monitoring data, the study delves into the geometric parameters of the direct roof, basic roof movement, and roof pressure during the initial mining process of the 301 comprehensive caving working face. The direct roof of the mining working face is stratified into upper and lower sections. The lower direct roof consists of 6.0 m thick coarse sandstone, while the upper direct roof comprises 9.2 m coarse sandstone, 2.6 m sandy mudstone, and 2.8 m medium sandstone. The basic roof stratum, totaling 22.1 m in thickness, includes layers such as silty sand, medium sandstone, sandy mudstone, and coal. The first pressure step of the basic roof is 61.6 m, with theoretical research indicating a maximum roof pressure of 1.62 MPa during periodic pressure. Extensive simulations and analyses of roof subsidence and advanced abutment pressure under varying working face lengths. Optimal roof control effect is observed when the mining face length falls within the range of 140 m-155 m. This study holds significance as it optimizes the working face length in thick coal seams, enhancing safety and efficiency in coal mining operations.
In order to investigate working conditions of underground coal mines, this work was undertaken to evaluate the respirable dust and the concentration of quartz in Taeback and Kangneung areas. The concentration of quartz was determined by Fourier Transform Infrared Spectrophotometry. The results were as follows; 1) The concentration of respirable dust of drilling and coal face in Taeback and Kangneung areas were as followed; Arithmetic $Mean{\pm}S.D.(mg/m^3)$ Taeback Drilling: $2.00{\pm}1.56$ Taeback Coal Face: $3.74{\pm}3.14$ Kangneung Drilling: $4.55{\pm}4.51$ Kangneung Coal Face: $5.77{\pm}4.53$ Geometric $Mean{\pm}S.D.(mg/m^3)$ Taeback Drilling: $1.34{\pm}2.81$ Taeback Coal Face : $2.55{\pm}2.61$ Kangneung Drilling : $2.44{\pm}3.63$ Kangneung Coal Face: $4.24{\pm}2.37$ 2) Distribution of respirable dust was well fitted to the log-normal distribution and geometric mean value was $log^{-1}\;0.37{\pm}log^{-1}\;0.47(2.34{\pm}2.95)mg/m^3$. 3) The difference of respirable dust concentrations in Taeback and Kangneung areas was not significant statistically (p>0.05). 4) The concentration of quartz of drilling and coal face in Taeback and Kangneung areas were as followed; Arithmetic $Mean{\pm}S.D.(%)$ Taeback Drilling: $6.18{\pm}5.52$ Taeback Coal Face: $1.89{\pm}1.54$ Kangneung Drilling: $3.54{\pm}2.12$ Kangneung Coal Face: $2.05{\pm}3.37$ Geometric $Mean{\pm}S.D.(%)$ Taeback Drilling: $4.24{\pm}2.59$ Coal Face: $1.39{\pm}2.22$ Kangneung Drilling : $2.55{\pm}3.08$ Kangneung Coal Face : $1.24{\pm}2.33$ 5) Distribution of quartz concentrations was well fitted to the log-normal distribution and geometric mean value was $log^{-1}\;0.33{\pm}log^{-1}\;0.45(2.14{\pm}2.82)%$. 6) The difference of quartz concentrations in Taeback and Kangneung areas was not significant (p>0.05), but significant at drilling sites and coal faces (p<0.05).
Based on the literature statistical method, the paper publication status of the isolated working face and the distribution of the rockburst coal mine were obtained. The numerical simulation method is used to study the stress distribution law of working face under different mining range. In addition, based on the similar material simulation test, the overlying strata failure modes and the deformation characteristics of coal pillars during the mining process of the isolated working face with thick-hard key strata are analyzed. The research shows that, under the influence of the key strata, the overlying strata formation above the isolated working face is a long arm T-type spatial structure. With the mining of the isolated working face, a series of damages occur in the coal pillars, causing the key strata to break and inducing the rockburst occurs. Combined with the mechanism of rockburst induced by the dynamic and static combined load, the source of dynamic and static load on the isolated working face is analyzed, and the rockburst monitoring methods and the prevention and control measures are proposed. Through the above research, the occurrence probability of rockburst can be effectively reduced, which is of great significance for the safe mining of deep coal mines.
Due to top-coal and immediate roof as cushion layer connecting with support and overlying strata, it can make significant influence on strata behaviors in fully mechanical top-coal caving working face (TCCWF). Taking Qingdong 828 working face as engineering background, $FLAC^{3D}$ and $UDEC^{2D}$ were adopted to explore the influence of top-coal thickness (TCT), immediate roof thickness (IRT), top-coal elastic modulus (TCEM) and immediate roof elastic modulus (IREM) on the vertical stress and vertical subsidence of roof, caving distance, and support resistance. The results show that the maximum roof subsidence increases with the increase of TCT and IRT as well as the decrease of TCEM and IREM, which is totally opposite to vertical stress in roof-control distance. Moreover, although the increase of TCEM and IREM leading to the increase of peak value of abutment pressure, the position and distribution range have no significant change. Under the condition of initial weighting occurrence, support resistance has negative and positive relationship with physical parameters (e.g., TCT and IRT) and mechanical properties (e.g., TCEM and IREM), respectively.
By conducting uniaxial loading cycle tests on the coal rock with outburst proneness, the dilatation characteristics at different loading rates were investigated. Under uniaxial loading and unloading, the lateral deformation of coal rock increased obviously before failure, leading to coal dilatation. Moreover, the post-unloading recovery of the lateral deformation was rather small, suggesting the onset of an accelerated failure. As the loading rate increased further, the ratio of the stress at the dilatation critical point to peak-intensity increased gradually, and the pre-peak volumetric deformation decreased with more severe post-peak damage. Based on the laboratory test results, the lateral deformation of the coals at different depths in the #1302 isolated coal pillars, Yangcheng Coal Mine, was monitored using wall rock displacement meter. The field monitoring result indicates that the coal lateral displacement went through various distinct stages: the lateral displacement of the coals at the depth of 2-6 m went through an "initial increase-stabilize-step up-plateau" series. When the coal wall of the working face was 24-18 m away from the measuring point, the coals in this region entered the accelerated failure stage; as the working face continued advancing, the lateral displacement of the coals at the depth over 6 m increased steadily, i.e., the coals in this region were in the stable failure stage.
With the coal mining depth increasing, both stress and gas pressure rapidly enhance, causing coal and gas outburst risk to become more complex and severe. The conventional method for prediction of coal and gas outburst adopts one prediction index and corresponding critical value to forecast and cannot reflect all the factors impacting coal and gas outburst, thus it is characteristic of false and missing forecasts and poor accuracy. For the reason, based on analyses of both the prediction indicators and the factors impacting coal and gas outburst at the test site, this work carefully selected 6 prediction indicators such as the index of gas desorption from drill cuttings Δh2, the amount of drill cuttings S, gas content W, the gas initial diffusion velocity index ΔP, the intensity of electromagnetic radiation E and its number of pulse N, constructed the Bayes discriminant analysis (BDA) index system, studied the BDA-based multi-index comprehensive model for forecast of coal and gas outburst risk, and used the established discriminant model to conduct coal and gas outburst prediction. Results showed that the BDA - based multi-index comprehensive model for prediction of coal and gas outburst has an 100% of prediction accuracy, without wrong and omitted predictions, can also accurately forecast the outburst risk even for the low indicators outburst. The prediction method set up by this study has a broad application prospect in the prediction of coal and gas outburst risk.
Taking top-coal caving mining face (TCCMF) as research object, this paper considers the combination of top-coal and immediate roof as cushion layer to build the solution model of support resistance based on the theory of elastic foundation beam. Meanwhile, the physical and mechanical properties of coal-rock combination influencing on strata behaviors is explored. The results illustrate that the subsidence of main roof in coal wall increases and the first weighting interval decreases with the increase of top-coal and immediate roof thicknesses as well as the decrease of top-coal and immediate roof elastic modulus. Moreover, the overlying strata reflecting on support has negative and positive relationship with top-coal thickness and immediate roof thickness, respectively. However, elastic modulus has limit influence on the dead weight of top-coal and immediate roof. As a result, it has similar roles on the increase of total support resistance and overlying strata reflecting on support in the limit range of roof control distance. In view of sensitive analysis causing the change of total support resistance, it can be regards as the rank of three components as immediate roof weight > overlying strata reflecting on support > top coal weight. Finally, combined with the monitoring data of support resistance in Qingdong 828, the validity of support resistance determined based on elastic foundation beam is demonstrated, and this method can be recommended to adopt for support type selecting in TCCMF.
With the mining depth continuously increasing, gas emission behaviors become more and more complex. Gas emission is an important basis for choosing the method of gas drainage, gas controlling. Thus, the accurate prediction of gas emission is of great significance for coal mine. In this work, based on the sources of gas emission from the heading faces and the fluid-solid coupling process, we established a gas continuous dynamic emission model, numerically simulated and applied it to the engineering. The result was roughly consistent with the actual situation and shows the model is correct. We proposed the measures of reducing the excavation distance and borehole gas drainage based on the model. The measures were applied and the result shows the overproof problem of gas emission disappears. The model considered the influence factors of gas emission wholly, and has a wide applicability, promotional value. The research is of great significance for the controlling of gas disaster, gas drainage and pre-warning coal and gas outbursts based on gas emission anomaly at the heading face.
1980년대 초 Sherwood교수가 한국에 와 있으면 당시 탄광의 호흡성먼지의 농도를 측정한 자료를 활용하여 로그-정규분포에 대한 분석을 한 자료이다. 탄광의 건조상태에서 농도는 물을 뿌리면서 하는 작업에 비해 매우 높은 수준을 보인다. 건조한 탄광에서 기하평균농도는 $26.1mg/m^{3}$이었고 물을 뿌린 탄광에서는 $4.1mg/m^{3}$이었다. 이는 매우 높은 수준이었음을 알 수 있다. 각 탄갱에서의 농도는 로그정규분포를 하였고 석탄을 접하는 탄갱에서의 농도는 $1.65mg/m^{3}$에서 $35mg/m^{3}$까지 다양하였다. 호흡성분진의 농도는 석탄을 접하는 탄갱에서 암석을 접하는 탄갱보다 높았는데 이는 분진의 원인이 석탄 때문이었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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