DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14068-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40745199
تاريخ النشر: 2025-07-31
المؤلف: Sun Chao-shang وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الصخور والنمذجة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فشل وتطور الكسور في هياكل الغطاء خلال التعدين المتكرر في طبقات الفحم 6 # و 7 # في منطقة التعدين شينجيانغ، باستخدام مزيج من التحليل النظري، والمحاكاة المماثلة، والمحاكاة العددية، والمراقبة الميدانية. تحدد الأبحاث أربع طبقات رئيسية فوق وجه العمل، مع وجود طبقات هامة تقع على ارتفاع 61.63 م و 174.63 م فوق طبقة الفحم 7 #. تكشف النتائج أن تعدين طبقة الفحم العليا 6 # يؤدي إلى توزيع “مستطيل” لفشل الغطاء، مع ارتفاع منطقة الكسر 40.2 م، بينما المنطقة فوق طبقة الفحم 7 #، غير المتأثرة بالتعدين المتكرر، تظهر ارتفاع منطقة الكسر 115 م.
تسلط الدراسة الضوء على أن التعدين المتكرر يزيد من الضرر التراكمي ويضع مجالات الضغط الناتجة عن التعدين، مما يؤدي إلى انتشار الكسور بسرعة. تستقر ارتفاعات منطقة الكسر ومنطقة الانهيار عند 139.68 م و 42.88 م، على التوالي، مع الانتقال من هيكل “مستطيل” واحد إلى هيكل مركب “مستطيل مزدوج”. يتبع تطور الكسور نمطًا يتميز بالتوسع البطيء في البداية، وزيادة مفاجئة بسبب الضرر التراكمي، واستقرار نهائي يتأثر بالطبقات الرئيسية. تؤكد المراقبة الميدانية هذه النتائج، حيث تقيس ارتفاعات منطقة الكسر 38 م و 100.33 م لطبقتي الفحم 6 # و 7 #، على التوالي. توفر النتائج أساسًا نظريًا لإدارة مخاطر المياه السطحية والأضرار السطحية في المنطقة.
طرق
في هذا القسم، يقدم Xu وآخرون منهجية منهجية لتحديد الطبقات الرئيسية في الكتل الصخرية العلوية، وهو أمر حاسم لفهم استقرار عمليات التعدين. تبدأ العملية بفرز الطبقات المرشحة من خلال تحديد طبقات الصخور الصلبة ذات القوة الكبيرة ومقاومة التشوه. يتبع ذلك حساب امتدادات الكسور باستخدام نظرية الشعاع المركب، حيث يتم تحديد الحمل على الطبقة الصلبة الأولى بواسطة المعادلة:
\[
q_1(x)|_n = \frac{E_1 h_1^3}{\sum_{i=1}^{m} E_i h_i^3} \sum_{i=1}^{n} h_i V_i
\]
تسمح هذه الصيغة بمقارنة الأحمال من الطبقات المتعاقبة، مما يؤدي إلى تحديد الطبقات الرئيسية بناءً على امتداداتها الكسرية. يتم تعريف الطبقة الرئيسية على أنها الطبقة ذات أقصى امتداد كسر، بينما يتم تصنيف الأخرى كطبقات فرعية رئيسية.
يشمل التصميم التجريبي بناء نموذج مادي مماثل لمحاكاة ظروف طبقتي الفحم 6 # و 7 #، مع الالتزام بمعايير مماثلة محددة. يتم تفصيل أبعاد النموذج ونسب المواد، ويسمح الإعداد بالمراقبة الديناميكية لتطور كسور الغطاء أثناء التعدين. تشير النتائج إلى أنه مع تقدم التعدين، تتطور كسور الغطاء إلى توزيع “مستطيل”، مع زيادات كبيرة في ارتفاع منطقة الكسر الناقلة للمياه (WCFZ) وشبكة معقدة من الكسور تتشكل فوق منطقة الانهيار. تؤكد هذه الأبحاث على أهمية فهم ميكانيكا الكسور في عمليات التعدين لتعزيز السلامة والكفاءة.
نتائج
تكشف نتائج المحاكاة العددية لتعدين الطبقة العليا المعزولة عن رؤى هامة حول التطور المترابط لضرر الغطاء وحقول الضغط. في البداية، عند تقدم وجه العمل بمقدار 50 م، تأثرت الطبقات العلوية بشكل رئيسي بالفشل القصي، مع تأثير الضغط الناتج عن التعدين على نطاق محدود وتطور الكسور يصل إلى ارتفاع 12 م. مع تقدم وجه العمل إلى 200 م، حدث تكسير واسع النطاق وانهيار، مع انتشار الكسور لأعلى إلى ارتفاع 31 م. بحلول الوقت الذي وصل فيه وجه العمل إلى 350-400 م، دخلت اللوحة مرحلة الاستخراج الكامل، حيث أظهر عرض منطقة الكسر (WCFZ) انتشارًا أفقيًا ديناميكيًا وإغلاقًا، واستقر عند ارتفاع 48 م. أظهرت المراقبة المتزامنة زيادة في ضغط الدعم الأقصى من 9.46 ميغاباسكال إلى 11.32 ميغاباسكال، مع استقرار مجال الضغط في الغطاء تدريجيًا مع حدوث إعادة ضغط.
في سياق ظروف التعدين المتكرر، أظهرت المحاكاة أن شبكة كسور الغطاء خضعت لإعادة بناء ديناميكية، متأثرة بشكل خاص بتأثيرات الضرر التراكمي. عند تقدم 50 م، تعرضت الطبقات البينية للفشل بسبب الضغط الناتج عن التعدين المتراكب، مما أدى إلى تطوير سريع لشبكة كسور متصلة هيدروليكيًا. بحلول 200 م، لوحظ تكسير واسع النطاق وانهيار، مما أدى إلى توزيع كسور على شكل سرج. استقر ارتفاع منطقة الكسر الناقلة للمياه (WCFZ) عند 134 م، بزيادة قدرها 179% مقارنة بتعدين الطبقة الواحدة. كشفت المراقبة عن تركيز أقصى للضغط الناتج عن التعدين قدره 13.24 ميغاباسكال في منطقة عمود الفحم، مع اضطراب كبير في مجال الضغط الأصلي للغطاء مع تقدم التعدين، مما أسس في النهاية توازن ضغط ديناميكي جديد على مساحة أكبر.
استخدمت الملاحظات الميدانية نظام مراقبة شامل يجمع بين طريقة تسرب حقن المياه من الطرفين المزدوجة وتقنية تصوير الثقوب. كشفت الطريقة الأولى عن زيادات كبيرة في النفاذية داخل منطقة الكسر الناقلة للمياه (WCFZ)، مع تصاعد فقدان المياه بشكل أسي بسبب شبكات الكسور الثانوية الناتجة عن التعدين. قدمت طريقة تصوير الثقوب رؤى ديناميكية حول توزيع وشكل الكسور، مما يعزز فهم مناطق فشل الغطاء.
نقاش
تبحث الأبحاث التي أجريت في منجم الفحم 106 في مقاطعة هوتوبي، شينجيانغ، الخصائص الجيومورفولوجية والهيدرولوجية المعقدة للمنطقة، مع التركيز بشكل خاص على وجوه العمل المتراكبة 1602 و 1702. تسلط الدراسة الضوء على الطبقات الجيولوجية، مع التأكيد على تشكيل Xishanyao كوحدة حاملة للمياه حاسمة تؤثر على عمليات التعدين. تستخدم التحقيقات محاكاة ثلاثية الأبعاد مماثلة لتحليل التطور الديناميكي لكسور الغطاء تحت ظروف التعدين المتكرر، كاشفة أن الضرر التراكمي الناتج عن التعدين يغير بشكل كبير أنماط تطور الكسور. مع تقدم التعدين، تحدد الدراسة انتقالًا من منطقة كسر “مستطيل” نموذجية لتعدين الطبقة الواحدة إلى هيكل مركب “مستطيل مزدوج” بسبب تفاعل عدة طبقات رئيسية.
تشير النتائج إلى أنه مع تقدم وجه العمل، يرتفع ارتفاع منطقة الكسر الناقلة للمياه (WCFZ) بشكل كبير، ليصل إلى 139.68 م، وهو أعلى بنسبة 244% مما لوحظ أثناء تعدين الطبقة الواحدة. كما تؤسس الدراسة علاقة بين أقصى إجهاد رئيسي ومدى الكسور الناتجة عن التعدين، مما يوضح أن الإجهاد يزداد مع تقدم التعدين حتى يحدث كسر في الطبقات. تؤكد الأبحاث نموذجها النظري من خلال مراقبة ميدانية متعددة الطرق، مما يؤكد موثوقية نتائج المحاكاة ويقدم رؤى حول إدارة مخاطر المياه والانهيارات السطحية في عمليات التعدين. بشكل عام، تسهم الدراسة في فهم ديناميات تطور الكسور في طبقات الفحم السميكة جدًا وقريبة المسافة، مقدمة إطارًا لممارسات التعدين المستقبلية في بيئات جيولوجية مماثلة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14068-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40745199
Publication Date: 2025-07-31
Author(s): Sun Chao-shang et al.
Primary Topic: Rock Mechanics and Modeling
Overview
This study investigates the failure and fracture evolution of overburden structures during repeated mining in the 6 # and 7 # coal seams of the Xinjiang mining area, employing a combination of theoretical analysis, similarity simulation, numerical simulation, and field monitoring. The research identifies four key strata above the working face, with significant strata located at 61.63 m and 174.63 m above the 7 # coal seam. The findings reveal that mining the upper 6 # coal seam results in a “trapezoidal” distribution of overburden failure, with a fracture zone height of 40.2 m, while the area above the 7 # coal seam, unaffected by repeated mining, exhibits a fracture zone height of 115 m.
The study highlights that repeated mining exacerbates cumulative damage and superimposes mining-induced stress fields, leading to rapid fracture propagation. The fracture zone and caving zone heights stabilize at 139.68 m and 42.88 m, respectively, transitioning from a single “trapezoidal” structure to a “double-trapezoidal” composite structure. The evolution of fractures follows a pattern characterized by initial slow expansion, a leap increase due to cumulative damage, and eventual stabilization influenced by key strata. Field monitoring corroborates these findings, measuring fracture zone heights of 38 m and 100.33 m for the 6 # and 7 # coal seams, respectively. The results provide a theoretical foundation for managing roof water hazards and surface damage in the region.
Methods
In this section, Xu et al. present a systematic methodology for identifying key strata in overlying rock masses, which is crucial for understanding the stability of mining operations. The process begins with screening candidate strata by identifying hard rock layers with significant strength and deformation resistance. This is followed by calculating fracture spans using composite beam theory, where the load on the first hard stratum is determined by the equation:
\[
q_1(x)|_n = \frac{E_1 h_1^3}{\sum_{i=1}^{m} E_i h_i^3} \sum_{i=1}^{n} h_i V_i
\]
This formula allows for the comparison of loads from successive layers, leading to the identification of key strata based on their breaking spans. The main key stratum is defined as the layer with the maximum breaking span, while others are classified as sub-key strata.
The experimental design includes constructing a physical similarity model to simulate the conditions of the 6 # and 7 # coal seams, adhering to specific similarity criteria. The model dimensions and material ratios are detailed, and the setup allows for dynamic observation of overburden fracture evolution during mining. The findings indicate that as mining progresses, the overburden fractures develop a “trapezoidal” distribution, with significant increases in the height of the water-conducting fracture zone (WCFZ) and a complex network of fractures forming above the goaf. This research underscores the importance of understanding fracture mechanics in mining operations to enhance safety and efficiency.
Results
The results of the numerical simulations for isolated mining of the upper coal seam reveal significant insights into the coupled evolution of overburden damage and stress fields. Initially, at a working face advancement of 50 m, shear failure predominantly affected the overlying strata, with mining-induced stress influencing a limited range and fracture development reaching a height of 12 m. As the working face progressed to 200 m, extensive fracturing and collapse occurred, with fractures propagating upward to a height of 31 m. By the time the working face reached 350-400 m, the panel entered a fully mined-out stage, where the width of the fracture zone (WCFZ) exhibited dynamic horizontal propagation and closure, stabilizing at a height of 48 m. Concurrent monitoring indicated an increase in peak abutment pressure from 9.46 MPa to 11.32 MPa, with the stress field in the overburden gradually stabilizing as recompaction occurred.
In the context of repeated mining conditions, the simulations demonstrated that the overburden fracture network underwent dynamic reconstruction, particularly influenced by cumulative damage effects. At 50 m advancement, interlayer strata experienced failure due to superimposed mining-induced stress, leading to rapid development of a hydraulically connected fracture network. By 200 m, large-scale fracturing and collapse were observed, resulting in a saddle-shaped fracture distribution. The height of the WCFZ stabilized at 134 m, a 179% increase compared to single-seam mining. Monitoring revealed a peak mining-induced stress concentration of 13.24 MPa in the coal pillar zone, with the original overburden stress field significantly disrupted as mining progressed, ultimately establishing a new dynamic stress equilibrium over a larger area.
Field observations utilized a comprehensive monitoring system combining the double-end water injection leakage method and borehole imaging technology. The former method detected significant increases in permeability within the WCFZ, with water loss escalating exponentially due to mining-induced secondary fracture networks. The borehole imaging method provided dynamic insights into the distribution and morphology of fractures, enhancing the understanding of overburden failure zones.
Discussion
The research conducted at the 106 Coal Mine in Hutubi County, Xinjiang, investigates the complex geomorphological and hydrological characteristics of the region, particularly focusing on the superimposed working faces 1602 and 1702. The study highlights the geological stratigraphy, emphasizing the Xishanyao Formation as a critical water-bearing unit that influences mining operations. The investigation employs a three-dimensional physical similarity simulation to analyze the dynamic evolution of overburden fractures under repeated mining conditions, revealing that the cumulative damage from mining significantly alters fracture development patterns. As mining progresses, the study identifies a transition from a “trapezoidal” fracture zone typical of single-seam mining to a “double trapezoidal” composite structure due to the interaction of multiple key strata.
The findings indicate that as the working face advances, the height of the water-conducting fracture zone (WCFZ) increases dramatically, reaching up to 139.68 m, which is 244% higher than that observed during single-seam mining. The study also establishes a correlation between the maximum principal strain and the extent of mining-induced fractures, demonstrating that strain increases with mining advancement until strata fracturing occurs. The research validates its theoretical model through multi-method field monitoring, confirming the reliability of simulation results and providing insights into managing water hazards and surface subsidence in mining operations. Overall, the study contributes to understanding the fracture evolution dynamics in close-distance, ultra-thick coal seams, offering a framework for future mining practices in similar geological settings.