DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-81528-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41484157
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: Wenqiang Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الصخور والنمذجة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة السلوك الميكانيكي لقاعدة طبقة الفحم في عمليات التعدين على نطاق واسع، مع التركيز بشكل خاص على واجهة العمل العريضة 6306 في منجم فحم جينتشينغ سيهي. من خلال الجمع بين التحليل النظري، والقياسات الميدانية، والمحاكاة العددية، تتناول الأبحاث التحديات التي تطرحها انفجارات المياه المرتبطة بالواجهات العريضة والعالية. تحلل الدراسة بشكل منهجي مجالات الإزاحة والإجهاد لقاعدة طبقة الفحم أثناء التعدين، باستخدام جهاز قياس تسرب المياه مزدوج النهاية وثقب الرؤية لتحديد الضرر في القاعدة.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن أقصى عمق للضرر في قاعدة طبقة الفحم، الذي تم قياسه عند 19.63 م، يتأثر أكثر بضغط الدعم المتقدم الأقصى من مدى الضرر في جدار الفحم. تسلط الأبحاث الضوء على أن قوى التعدين تؤثر بشكل كبير على الكتلة الصخرية المحيطة، مما يؤدي إلى تكوين شقوق جديدة في القاعدة مع تقدم واجهة العمل. يتطور “قوس الإجهاد” في قاعدة طبقة الفحم، مما يؤثر على طبقة المياه الجوفية خلال أنشطة التعدين القصوى. توفر النتائج رؤى حاسمة حول التطور الديناميكي للضرر في التعدين على نطاق واسع، مما يقدم أساسًا نظريًا لاستراتيجيات فعالة للتحكم في المياه في بيئات تعدين الفحم عالية الكثافة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الحرجة لاستقرار اللوحة السفلية في تعدين الفحم العميق، خاصة في الأسطح العريضة والكبيرة. مع زيادة عمق التعدين، تتصاعد مخاطر انفجارات المياه في طبقة الفحم، مما يشكل تهديدات كبيرة لسلامة التعدين في الصين. تولد أنشطة التعدين مستويات عالية من الإجهاد، مما يؤدي إلى احتمالية انهيار السقف ورفع اللوحة السفلية، مما يزيد من خطر انفجارات المياه في منطقة الخسارة. لقد أصبحت هذه الحالة تحديًا بارزًا في هذا المجال، مما يستلزم مزيدًا من التحقيق والحلول لضمان عمليات تعدين آمنة.
النتائج
تشير نتائج تحليل الحفر إلى أن سلامة صخور السقف قبل التعدين كانت مرضية، مع عدم وجود شقوق مرئية في ثقب D1 #. تكشف نتائج التصوير من ثقب المراقبة D3 # أن جدار الثقب يبقى سليمًا حتى عمق 20 م، مع ظهور شقوق طفيفة في أعماق أكبر. من الجدير بالذكر أن الثقب يتقاطع مع منطقة الفشل السفلي عند عمق 44 م، وهو 17.89 م تحت طبقة الفحم. بالمقابل، لا يظهر ثقب D2 # أي شقوق تعدين كبيرة ضمن أول 24 م، لكن تظهر شقوق صخرية صغيرة بعد هذا العمق، مع امتداد نطاق التدمير في القاعدة إلى 19.52 م تحت طبقة الفحم.
تكشف الاختبارات الميدانية لقياس تسرب الثقب عن تقلبات في معدلات تسرب المياه، مما يشير إلى وجود قسم تخزين عند عمق 50 م. يظهر ثقب D1 # زيادة في التسرب من 4.5 إلى 6.55 لتر/دقيقة بين 30 م و45 م، مما يؤكد الدخول إلى منطقة تدمير اللوحة السفلية، مع تحديد قمة هذه المنطقة عند عمق 45 م. وبالمثل، يظهر ثقب D2 # زيادة كبيرة في التسرب (من 4.83 إلى 7.65 لتر/دقيقة) من 30 م إلى 50 م، مما يشير إلى تدمير شديد في طبقة الصخور. وبالتالي، يتم تحديد أقصى عمق للفشل في اللوحة السفلية ليكون 20.25 م تحت طبقة الفحم، مع خسائر تسرب ملحوظة تتراوح بين 0.77 إلى 6.55 لتر/دقيقة لثقب D2 # و0.67 إلى 7.65 لتر/دقيقة لثقب D3 #، مما يبرز مدى الضرر الهيكلي بعد التعدين.
المناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على تأثير الظروف الهيدروجيولوجية ومعلمات التعدين على الضرر في قاعدة طبقة الفحم، خاصة في سياق واجهة العمل العريضة 6306 في منجم سيهي للفحم. أثبتت دراسات مختلفة أن عوامل مثل عرض الاسترداد لسطح العمل، وتركيز الإجهاد، ووجود هياكل تحويل المياه تؤثر بشكل كبير على خطر الكوارث التعدينية، بما في ذلك انفجارات المياه. من الجدير بالذكر أن الأبحاث تسلط الضوء على تطوير نموذج ميكانيكي لتقييم عمق الضرر في قاعدة الفحم، والذي يشير إلى أن أقصى عمق للضرر مرتبط بضغط الدعم المتقدم ونطاق الضرر في المنطقة البلاستيكية لجدار الفحم. تم حساب أقصى عمق نظري للضرر ليكون 19.63 م، مما يتماشى مع النتائج التجريبية من طرق الحفر واكتشاف تسرب المياه.
تكشف النتائج أيضًا أنه مع تقدم واجهة العمل، يتشكل “قوس الإجهاد”، مما يؤدي إلى إزاحات عمودية في قاعدة طبقة الفحم، مع ملاحظة أقصى إزاحة تبلغ 286 مم بعد تقدم 100 م. تظهر الدراسة أيضًا أن ارتفاع دليل المياه المحصور يستقر بعد تقدم واجهة العمل 75 م، مما يشير إلى أن الاضطرابات الناتجة عن التعدين تؤثر بشكل كبير على ديناميات طبقة المياه الجوفية. تؤكد النتائج على أهمية فهم التفاعل بين أنشطة التعدين والعوامل الهيدروجيولوجية للتخفيف من المخاطر المرتبطة بعمليات مناجم الفحم.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-81528-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41484157
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): Wenqiang Wang et al.
Primary Topic: Rock Mechanics and Modeling
Overview
This study investigates the mechanical behavior of the coal seam floor in large-scale mining operations, specifically focusing on the 6306 ultra-wide working face of Jincheng Sihe Coal Mine. Through a combination of theoretical analysis, field measurements, and numerical simulations, the research addresses the challenges posed by water outbursts associated with high and wide working faces. The study systematically analyzes the displacement and stress fields of the coal seam floor during mining, employing a double-end water leak measurement device and peephole to quantify floor damage.
Key findings indicate that the maximum damage depth of the coal seam floor, measured at 19.63 m, is influenced more by peak advance support pressure than by the extent of damage to the coal wall. The research highlights that mining forces significantly affect the surrounding rock mass, leading to the formation of new floor cracks as the working face advances. A “stress arch” develops in the coal seam floor, impacting the aquifer during peak mining activities. The results provide critical insights into the dynamic evolution of damage in large-scale mining, offering a theoretical foundation for effective water control strategies in high-intensity coal mining environments.
Introduction
The introduction highlights the critical issue of bottom plate stability in deep coal mining, particularly in large-scale and super-wide working surfaces. As mining depth increases, the risk of coal seam water outbursts escalates, posing significant threats to mining safety in China. The mining activities generate high stress levels, leading to potential roof collapses and bottom plate uplift, which in turn exacerbate the risk of water outbursts in the goaf. This situation has emerged as a prominent challenge within the field, necessitating further investigation and solutions to ensure safe mining operations.
Results
The results of the drilling analysis indicate that the integrity of the roof rock prior to mining was satisfactory, with no visible cracks observed in the D1 # hole. Imaging results from the D3 # observation hole reveal that the hole wall remains intact down to 20 m, with minor cracks developing at greater depths. Notably, the borehole intersects the bottom failure zone at a depth of 44 m, which is 17.89 m below the coal seam. In contrast, the D2 # hole shows no significant mining cracks within the first 24 m, but small rock cracks appear beyond this depth, with the destruction range of the floor extending to 19.52 m below the coal seam.
Field tests for borehole leakage measurement reveal fluctuations in water leakage rates, indicating the presence of a storage section at 50 m depth. The D1 # hole exhibits a leakage increase from 4.5 to 6.55 L/min between 30 m and 45 m, confirming entry into the bottom plate destruction zone, with the top of this zone identified at 45 m depth. Similarly, the D2 # hole shows a significant increase in leakage (4.83 to 7.65 L/min) from 30 m to 50 m, indicating severe damage to the rock layer. Consequently, the maximum failure depth of the bottom plate is determined to be 20.25 m below the coal seam, with observed leakage losses of 0.77 to 6.55 L/min for D2 # and 0.67 to 7.65 L/min for D3 #, highlighting the extent of structural damage post-mining.
Discussion
In this section, the discussion centers on the impact of hydrogeological conditions and mining parameters on the damage to the coal seam floor, particularly in the context of the Sihe Coal Mine’s 6306 ultra-wide working face. Various studies have established that factors such as the recovery width of the working surface, stress concentration, and the presence of water diversion structures significantly influence the risk of mining disasters, including water outbursts. Notably, the research highlights the development of a mechanical model for assessing the damage depth of the coal floor, which indicates that the maximum damage depth is correlated with the advance support pressure and the plastic area damage range of the coal wall. The theoretical maximum damage depth was calculated to be 19.63 m, aligning with empirical findings from drilling and water leakage detection methods.
The findings also reveal that as the working face advances, a “stress arch” forms, leading to vertical displacements in the coal seam floor, with a maximum displacement of 286 mm observed after a 100 m advance. The study further demonstrates that the confined water guide height stabilizes after the working face advances 75 m, indicating that mining disturbances significantly affect the aquifer dynamics. The results underscore the importance of understanding the interplay between mining activities and hydrogeological factors to mitigate risks associated with coal mine operations.