複雑な地質条件における鉱山と帯水層の相互作用とその管理の研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9462 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

さまざまな表土層条件における採掘と地表水または帯水層システムとの相互作用は、持続可能な採掘実践の最も重要な側面の 1 つであり、水の損失や開口部への水の流入を引き起こす可能性があります。この論文は、複雑な地層条件におけるこの現象をケーススタディを通じて検証し、長壁採掘による上層帯水層への影響を最小限に抑えるための新しい採掘設計を提案しました。帯水層の潜在的な撹乱に寄与するさまざまな要因が特定されており、これには、水が豊富な地域の範囲、表層岩石ユニットの特徴、水を伝導する破砕帯の発達高さが含まれます。この研究では、過渡電磁法と高密度三次元電気法を使用して、切羽内の浸水の危険が生じやすい 2 つの領域を特定しました。水の豊富な異常領域 1 の垂直範囲は屋根から 45 ～ 60 m 離れており、面積は 3,334 平方メートルです。水の豊富な異常領域 2 の垂直範囲は屋根から 30 ～ 60 m 離れており、面積は約 2913 平方メートルです。岩盤掘削法により、岩盤の最も薄い部分で厚さ約60μm、最も厚い部分で厚さ約180μmを確認しました。経験的方法、岩層グループに基づく理論的予測、現場モニタリングを使用した結果、採掘による破砕帯の最大高さは 42.64 m でした。要約すると、高リスク領域が特定され、分析の結果、水止め柱のサイズは 52.6 m であり、実際に採掘場に設置された安全な水止め柱よりも小さかったことがわかりました。研究の結論は、同様の鉱山の採掘に対する重要な安全指導の重要性を提供します。

水域での石炭採掘には、地表水域での石炭採掘、緩い帯水層水域での石炭採掘、および岩盤帯水層水域での石炭採掘が含まれます1、2。水域が岩盤帯水層である場合、岩盤の厚さは不均一であり、切羽の屋根は帯水層で覆われます。岩盤の厚さが薄い箇所では、切羽の採掘後に形成された破砕帯が帯水層につながっている場合、浸水災害の危険性があります3,4,5,6。

岩盤作業面の帯水層の下での安全な採掘は、水が豊富な領域の範囲、カバーロックの厚さと構造、通水破砕帯の発達高さなど、多くの要因の影響を受けます7,8。、9、10、11、12、13。多くの研究者は理論と実用化において比較的成熟した研究を行っています。王ら。は、力学的モデルを確立することによって、さまざまな採掘厚さ条件下での水を導く破砕帯の高さを予測しました14、15、16。リーら。彼らは力学的理論に基づいて帯水層下での安全な採掘の実現可能性を予測および分析し、浸水と砂の噴出の発生に関する臨界条件と予測式を決定しました17,18。チェンら。は、同様の材料を使用して水の流入と砂の爆発による災害の実験プロセスをシミュレートし、帯水層の下での安全な採掘のための実行可能な提案を提案しました19、20。ヤン・ビンら。は、帯水層下の指数システムと鉱山の安全性の間の複雑な非線形関係を数学的モデルを通じて説明しました21。要約すると、多くの研究者が水制御に関連する理論と技術の現在の研究状況について多くの分析を行い、いくつかの重要な研究結果を得ています22、4、23、24。上記の研究は、理論的に予測された切羽の下での安全な採掘の実現可能性分析を導く上で重要な役割を果たしました。

複雑な岩盤帯水層の下の切羽の安全な採掘を確保するには、帯水層と岩盤構造の危険範囲を決定し、切羽採掘後の破砕帯の発達高さを予測することが、最初に解決すべき重要な問題である。。現在、鉱山探査の地質学的および水文学的作業を決定する主な方法は依然として現場検出法であり、これは掘削法、地球化学探査法、地球物理学的探査法（高密度比抵抗を含む）を含む最も直接的で信頼性の高い方法でもあります。屋根の水分豊富な領域の範囲を検出するための地球物理学的探査法の使用と、カバーロックの厚さと構造を検出するための掘削法の使用。複雑な岩盤作業面の帯水層下での安全な採掘の実現可能性をより直感的かつ正確に判断できます。

山東省済寧鉱業グループの小雲炭鉱の1318総合採掘作業切羽は、不規則な台形で擬似斜めのレイアウトを持っています。上層の地層層の緩い層の厚さは、岩盤が所々厚く、所々薄いという不安定な状態を反映して厚く、切羽の屋根は帯水層で覆われている。切羽の採掘後に形成された破砕帯が帯水層につながっている場合、浸水災害が発生する危険性があります。この研究では、水の豊富な地域の範囲を調査するために地球物理学的探査方法が提案されました。掘削法により覆岩の厚さと構造を検出した。導水破砕帯の高さは実験式予測、理論予測、現場探査解析などの手法により予測した。最後に、切羽の止水石炭（岩石）柱のサイズが安全採掘範囲と一致しているかどうかを判断し、岩盤切羽の帯水層下の安全な採掘の実現可能性を総合的に分析しました。研究の結論は、同様の鉱山の採掘に対する重要な安全指針の意義を提供します25,26。

小雲炭鉱は中国山東省済寧市にあります。炭層 3 が主に採掘されています。炭層は北西に突き当たり、北東に向かっています。炭層の傾斜角は13°～26°で、平均は17°です。石炭層の平均の厚さは2.8メートルです。図1に示すように、加工切羽の走向はほぼ東から西で、傾向はほぼ北向きの不規則な台形で擬似的に斜めのレイアウトとなっています。カットホールでの加工面の長さは 220 m です。切羽の前進に伴って切羽の長さは徐々に短くなり、停止線での切羽の長さは約１００ｍ、切羽の前進長さは２９０ｍとなる。屋根は主にさまざまな中砂岩と細砂岩で構成されており、すぐの屋根は平均厚さ4.65 mの細砂岩で、古い屋根は平均厚さ13.45 mの中砂岩です。包括的な地質ヒストグラムを図2に示します。切羽内の岩盤の厚さは南西から北東に向かって徐々に増加しており、最も薄い部分の厚さは約60μmです。鉱山地域の主な水の供給源は、3 石炭屋根の砂岩亀裂帯水層です。この帯水層は灰白色の石英中粒砂岩と細粒砂岩で構成され、泥状の内包物や細片を含み、平均厚さは 45.8 m です。帯水層の単位流入水量は 0.00001295 ～ 0.00821 L/s・m、透水係数は 0.000599 ～ 0.016 m/d です。 No.3 炭層の屋根にある砂岩帯水層システムの接続性は悪く、含水量は不均一で、一部の水が豊富な地域の範囲は明確ではありません。

1318 作業面レイアウト。

1318 総合地質ヒストグラム。

切羽の覆岩は、岩盤が不安定で厚みが不均一であり、切羽の屋根は帯水層で覆われています。したがって、切羽の採掘後に形成された破砕帯が帯水層につながっている場合、浸水災害が発生する危険性があります。したがって、切羽を採掘する前に実現可能性調査を実行する必要があります。

鉱山過渡電磁法や高密度三次元電気法などの地球物理学的手法 27、28、29、30、31 を使用して、1318 作業切羽の上の帯水層にある水の豊富な異常領域の範囲が調査されました。

図１、２に示すように。検出は、1318 加工面のベルト溝、トラック溝、カットホールで実施されました。隣接する検出位置間の距離は１０ｍとした。検出位置は停止線からベルト溝のカット穴まで37箇所、X6ワイヤー点からベルト溝のカット穴までは38箇所、検出位置は20箇所配置しました。カットホール。このうち切羽の屋根方向を検出し、屋根検出方向は45°、上90°、下45°であった。各探知方向の二次元比抵抗プロファイルは、石炭層3上部から深さ45mと60mの2箇所で実施し、各測線の異なる角度の比抵抗プロファイルを総合的に解析した。コール・シーム 3 の採掘を脅かす屋根帯水層を主に分析し、石灰岩の比抵抗層のスライス図を作成しました。包括的な分析により、作業面上の帯水層の水の豊富な異常領域のより完全かつ正確な範囲を取得できます。

過渡電磁法検出の模式図。

1318加工面の検出方向図。

図5に示すように、1318加工面のベルト溝、トラック溝、カット穴を測定し、隣接する測定点の間隔は5μmとしました。ベルト溝に1本の測定線、72点の測定点、トラック溝に1本の測定線、88点の測定点、カットに1本の測定線の合計3本の測定線を配置しました。穴、45 の測定点があります。このうち、各検出方向の三次元比抵抗プロファイルを、石炭層 3 の上部から 30 m と 40 m の比抵抗層スライスに分割しました。反射形状、範囲サイズ、見かけの比抵抗等値線の抵抗値に応じて、高密度比抵抗法によって反転された見かけの比抵抗断面図のクロマトグラム（クロマトグラム）を地質学的データや測量データと組み合わせることで、作業面上の帯水層の水の豊富な異常領域の範囲をより完全かつ正確に取得できます。データの包括的な分析。

高密度電気検出位置配置図。

岩盤掘削法は、石炭層 332,33 の屋根帯水層と水クルードの岩相、厚さ、分布を調査するために使用されました。図 6 に示すように、掘削チャンバーは 1318 ベルト溝に 1 つのリグチャンバー、1318 トラック溝に 2 つのリグチャンバーを備えて設計されました。掘削リグ 1 のチャンバーは 1318 ベルト溝のポイント P7 の 28 m 後方に位置し、掘削リグ 2 のチャンバーは 1318 トラック溝のポイント X9 の 11.7 m 前に位置し、掘削リグ 3 のチャンバーは 10 m 前に位置します。 1318 トラックグルーブのポイント X8。このうち、掘削リグ 2 のチャンバーは 4 つの屋根探査および排水ボーリング孔 (DT-1、DT-2、DT-3、DT-4) で建設されました。ボーリング孔の岩質は主に砂岩でした。掘削パラメータを表 1 に示します。掘削結果の包括的な比較分析を通じて、より完全かつ正確な岩盤の岩質、作業切羽上に重なる帯水層の厚さおよび分布を得ることができます。

ドリル穴の分布レイアウト。

破砕帯の発達高さは、帯水層の下で安全に採掘するための重要な要素です。破砕帯の発達高さに関する理論的研究は、切羽における安全な採掘の実現可能性を評価するための基礎となります34、35、36、37、38、39。

表 2 は、現在中国の炭鉱現場の技術者が広く使用している導水破砕帯の高さを計算する式であり、建築物、水域、鉄道、幹線道路の石炭柱設置規則に記載されている経験式に基づいています。および石炭圧力採掘40。この式は、多数の測定結果を統計的に解析することによって得られます。表土岩質は「硬い」、「中程度の硬い」、または「柔らかい」に分類されます。「非常に柔らかい」タイプの場合、カバーロックの水を通す破砕帯の高さを計算するために異なる計算式が使用されます。

炭層採掘後のその上の地層の運動は、岩層群を単位とした屈曲・沈降運動であることは、これまでの多くの研究で明らかにされている。各地層グループは、上部の弱い岩石の動きを調整するために、下部の硬い岩石の層によって駆動されます。岩層の動きの組み合わせは、各岩層の強度係数（岩質、厚さ、弾性率など）によって決まります。強度係数の低い上部の岩層は、強度係数の高い下部の岩層と同時に移動し、沈下曲率は同じになります。特定の硬い岩石層が大きな沈下を起こし、その結果、岩層表面に水を通すのに十分な亀裂が形成されると、それによって制御される上部の軟岩層は、岩層と同じ沈下があり、その変形が抑制されます。下部硬岩層に比べて破砕能力が低いため、発達した亀裂も貫通度に達し、同時に導水破砕帯のカテゴリーに分類されることになります。類推すると、硬い岩石層の沈下が十分な導水亀裂を形成するのに十分でない場合、導水破砕帯はこの岩層まで高度に発達します。このとき、この層より上の岩層群は屈曲帯に属します。したがって、切羽上層の通水破砕帯は、岩層群を単位として梯子状に上方に向かって徐々に発達しており、各層群の破壊発達はその動きによって制御されていることがわかる。下部の硬い岩層の一部。この理解は、水を伝導する破砕帯の形成に関する従来の概念とは異なります。隣接する 2 つの地層が一緒に移動して地層群を形成するか、別々に移動するかは、地層沈下の最大曲率 ρmax によって判断できます41。

の場合、2 つの層は 1 つの層の動きに結合されます。

のとき、2 つの層は別々に移動して 2 つの層グループを形成します。

ロッキングビームの最大曲げ曲率は次のように表すことができます。

ここで、 α は、岩石梁の支持条件によって決定される係数です。 L - 岩石梁の限界スパン。 E - 岩石梁の弾性率。 m - 地層の厚さ。

1314 切羽は 1318 切羽に隣接しており、1314 切羽の採掘条件は 1318 切羽の採掘条件と同じです。隣接加工面のフィールド測定法を使用して、1314加工面をその場で検出し、1318加工面の破断帯の発達高さを解析によって取得しました。フィールド測定の原理とスキーム設計は次のとおりです。

1318切羽採掘後の上層地層における導水破砕帯の発達形態を，地下傾斜ボーリング孔漏水の注水観察手法を用いて検出・解析した。この観察法の原理は、地下採掘切羽の周囲の一定位置に掘削場を配置し、掘削場から切羽ゴーフ上の表土通水破砕帯まで傾斜ボーリング孔を掘削し、地下坑を利用するものである。ガイド高さ観測装置は、図7に示すように、ガイド高さを観測する装置です。この観測装置は、ボーリング孔の下から上への分割注水観測を行うために使用されます。ボーリング孔のさまざまな領域における注水漏れの変化規則に従って、カバーロック破砕帯の発達高さ、空間境界形状、およびその他の特性を分析し、より明確かつ正確に決定することができます。

地下ボーリング孔内の通水破砕帯の高さ観察図。

ダウンホールガイド高さ観測装置は図 8、図 9 に示すように配置されています。両端止水装置は 2 つの拡張カプセルと注水プローブで構成されています。拡張パイプラインと注水パイプラインの 2 つの接続パイプラインがあります。コンソールは拡張コンソールと注水コンソールです。拡張コンソール、拡張パイプライン、および両端止水器の 2 つのカプセルが接続されて、カプセル拡張および収縮圧力制御システムが形成されます。両端止水装置の注水コンソール、注水パイプライン、注水プローブパイプを接続して、岩層の通水率を観察するための注水観察システムを形成する。

傾斜ボーリング孔の標高観測装置の試験概要図。

両口止水装置の構造図。

導水破砕帯の観測原理と1314切羽周囲の道路の配置条件に基づき、導水破砕帯における観測掘削場の位置を図10に示す。パイロット高さ観測ボーリング孔は、切羽軌道溝の閉鎖道路と接触道路の交差点付近に設置されました。掘削現場と切羽の停止線との間の直線距離は約 38.8 m でした。ボーリング孔 1 とボーリング孔 2 の合計 2 つの高さ観測ボーリング孔を設計しました。観測ボーリング孔 1 の方位角はトラック溝に沿って左に 12°シフトしており、基本的に切羽停止線に対して垂直方向でした。ボーリング孔 2 は、ボーリング孔 1 に沿って左に 15° シフトし続けました。これは、作業切羽の方向における上にある岩石の破砕帯の発達を観察するために使用されました。

観測ボーリング孔配置図。

観測ボーリング孔のパラメータ設計がフィールド検出の鍵となります。設計パラメータには主に傾斜角とボーリング孔の長さが含まれます。観測ボーリング孔の設計要件によれば、上層地層の導水破砕帯の高さを観測するには、観測区間に2つの観測ボーリング孔が必要でした。ボーリング孔は、1314 トラック溝の閉鎖レーンと接触レーンの交差点付近から 1314 作業面の停止線まで建設されました。各ボーリング孔の要素を表 3 に示します。高さ誘導観測のためのボーリング孔の配置プロファイルを図 11 に示します。

高さ観測ボーリング孔のレイアウトプロファイル。

過渡電磁法による検出結果によると、切羽屋根から深さ45mと60mの2箇所における見かけの比抵抗層スライスの異常マップを図12に示す。図から、Coal Seam 3 の屋根上 45 m で、軌道溝杭番号 1090 ～ 1140 m が作業切羽まで 60 m 延長され、軌道溝杭番号 1250 ～ 1290 m が作業切羽まで延長されていることがわかります。切羽５０ｍ、切羽２０ｍまでトラック溝杭数１３２０～１３５０ｍを延長した。異常地域の見かけの比抵抗は 4 Ω・m 未満であり、帯水層の水分含有量は比較的多かった。 3炭層の屋根上60m：トラック溝杭番号1100～11,150mが切羽まで延長70m、ベルト溝杭番号1200～11,240mが切羽まで延長70m。異常地域の見かけの比抵抗は 4 Ω・m 未満であり、帯水層の水分含有量は比較的多かった。

1318 作業切羽屋根帯水層の見かけの比抵抗層のスライス図と豊富な水の分布図。

過渡電磁探査の結果、岩盤探査の結果、道路掘削時の屋根散水などを組み合わせて、一部の異常箇所を確認しました。図 13 に示すように、切羽の屋根の上に 2 つの異常領域が描画されます。このうち、異常領域 1 の垂直範囲は屋根から 45 ～ 60 m で、面積は 3334 m2 です。異常領域 2 の垂直範囲は屋根から 30 ～ 60 m で、面積は 2520 平方メートルです。

作業切羽の屋根の異常領域。

高密度電気法の結果の分析によると、図14は、作業切羽屋根30mおよび40mの比抵抗の三次元層床スライス異常マップを検出するための地球物理学的探査法の高密度電気法を示しています。屋根上 30 m の敷料スライスと屋根上 40 m の敷料スライスを比較すると、屋根上 30 m の敷料スライスの比抵抗が最も低く、異常領域の比抵抗は 2 Ω 未満であることがわかります。 ·m、帯水層の水分含有量は比較的強かった。

1318 作業面の屋根の抵抗率の 3 次元床層スライスデータ。

切羽の構造分布特性や水理地質条件、道路掘削の過程での高度な探査・排水の結果と組み合わせることで、切羽屋根上の砂岩帯水層の水分豊富な状態を推定し説明します（参照）。図15）。異常箇所は全域で計１カ所、総面積は約３３０６平方メートルと説明した。

1318 切羽の屋根砂岩帯水層の水が豊富な分布。

上記の物理探査結果に基づいて、全域で 2 つの異常領域が発見されました。異常領域 1 の垂直範囲は屋根から 45 ～ 60 m で、面積は 3,334 平方メートルでした。異常領域 2 の垂直範囲は屋根から 30 ～ 60 m で、面積は約 2913 平方メートルでした。今回の調査により、Working Face 1318 の炭層の屋上帯水層の保水状況が明らかになり、屋上帯水層の保水性は比較的弱かった。

掘削結果と合わせて、総合解析により一部（TC1-1、TC2-1）の掘削孔柱状断面を描画しました。図 16 の分析によれば、1318 加工切羽の範囲の岩盤の種類は、主に中程度の砂岩、細砂岩、シルト岩、粗い砂岩、砂利質の中程度の砂岩、および砂利質の粗い砂岩であり、主に中程度の砂岩であると結論付けられました。中程度の砂岩の累積厚さは、検出された岩盤厚さの約 89% を占めました。石炭層の直接屋根の細砂岩の厚さが 4.65 m であったことを除けば、他の種類の岩層の平均厚さは約 1 m と比較的薄く、中程度の砂岩の層間とみなすことができます。。

典型的なボーリング孔のヒストグラム。

掘削データに基づいて、図 17 に示すような解析後の岩盤厚さステレオグラムが作成されました。1318 作業面の範囲の岩盤厚さは、南西から北東に向かって徐々に増加しています。最薄部は停止線と軌道溝の交点に位置し、厚さは約60μmであった。最も厚い部分はカットホールとベルト溝の交差点に位置し、その厚さは約180μmであった。 1318 作業切羽全体の採掘範囲の岩盤の厚さは、安全採掘仕様で要求される 55 m を超えていました。

岩盤の厚さのステレオグラム。

小雲炭鉱の1318切羽の周囲の岩石構造と機械的特性の分析によると、炭層3の上層は主にシルト岩と中細砂岩であり、岩石の一軸圧縮強度は50MPa以上であった。全体的な包括的な分析により、加工切羽の上にある地層が中程度の硬岩層のカテゴリーに属することが示されました。 Coal Seam 3 1318 切羽の最大採掘厚さを M = 3.3 m として、「実験式予測」の項に対応する実験式を用いて、落下帯の発達高さと導水亀裂の計算結果を求めます。切羽採掘後のゾーンを表 4 に示します。

岩石層の動きの特徴の分析により,小雲炭鉱の作業切羽1318の軌道溝側の石炭層3の上層層の複合構造が決定された。「岩層群に基づく理論予測手法」に対応する理論予測式に基づき、逐次計算・解析を行った。 1318 加工切羽の上にある岩盤範囲は、柔らかい層と硬い層が交互に組み合わされた 5 つの層グループに分けることができます。表 5 に示すように、グループ I の岩層の全体の厚さは 4.1 m で、切羽の石炭層 3 を直接覆っており、石炭層 3 の直接屋根カテゴリーに属しています。切羽の炭層が採掘された後, 採掘空間の漸次増加とともに岩層群が徐々に崩壊し、ゴーフに堆積した。地層グループ II の全体の厚さは 22.42 m でした。全体の厚さが大きく、強度が高いため、曲げ破壊により、層群内で上にある 3 つの石炭岩塊が同時に移動し、複合的な古い屋根岩構造が形成されます。岩層群の運動と破壊の特徴的な法則を図18に示します。

カバーロックの組み合わせと破壊特性。

小雲炭鉱の被覆岩の構造的特徴の分析によると、コールシーム3 1318作業切羽の被覆岩は大部分が複合岩構造であったため、岩層の動的運動は明らかな不調和を示すと考えられます。岩石圧力の古典理論と岩石梁の機械的運動の計算と解析に従って、その上にある地層は地層の組み合わせによって分類されました。切羽の炭層が採掘された後、その上の地層の運動形態は、岩層群を単位とした屈曲沈下運動となるはずである。各地層グループは、下部の厚くて強度の高い支持層によって制御され、それが上部の弱い岩層の同期的かつ協調的な動きを駆動し、沈下曲率は同じでした。最下層の支持層が曲がって破壊されると、その上にある軟岩層も移動して同時に破壊されます。

作業切羽 1314 の 2 つのボーリング孔から信頼性の高い観測データが得られています。これら 2 つのボーリング孔のデータによれば、作業切羽の上にある導水破砕帯の発達高さと形状を正確に決定できます。

現地観測データによると、孔 #1 の岩層各断面の透水図は図 19 に示すように描かれます。ボーリング孔の各断面における注水漏水は明らかな細分化特性を有しており、大きな漏水が見られました。各セクションにおける注水漏れ量の違いは、ボーリング孔全体が異なる岩石破壊発達セクションを通過していることを示しており、ボーリング孔設計の合理性も検証されました。ボーリング孔の下から上への観察順序に従って、ボーリング孔内の岩層の各セクションの注水漏水は次のように要約され、分析されました。セクション I のボーリング孔エリアでは、ボーリング孔の傾斜長は 77.7 でした。〜59.7m、鉛直高さは49.9〜38.4m、岩層の浸透水量は0〜7.6L/min、岩層の全断面の浸透率は10L/min未満、岩層は小さく、岩層の第 2 開口部が発達しておらず、岩層が主に第 1 開口部であったことを示しています。この地域のボーリング孔は、岩層の透水性が小さいため、導水破砕帯の発達範囲外にあり、まだ破砕帯領域に進入していなかった。セクション II のボーリング孔エリアでは、ボーリング孔の傾斜長は 59.7 m ～ 23.7 m、鉛直高さは 38.4 m ～ 15.2 m となり、岩層の浸透水量は 12.0 ～ 27.3 と急激に増加しました。岩層の面積は大きく、この時点でボーリング孔が破砕帯に侵入していたことを示しています。この地域では、採掘によって岩層が大きな影響を受けました。岩層の沈下と屈曲によって生じた二次開口部は比較的発達しており、開口部間の接続性は良好であった。このため、ボーリング孔の注水漏れが大きく、岩層全体の水の伝導率が強かった。セクション III のボーリング孔エリアでは、ボーリング孔の傾斜長は 23.7 m ～ 11.6 m、垂直高さは 15.2 m ～ 7.5 m、岩層の浸透水量は 1.2 ～ 6.5 L/min、地層の浸透率は 1.2 ～ 6.5 L/min でした。岩層の全断面は10 L/min未満であり、岩層の浸透性は小さく、岩層の第2の開口部が発達しておらず、岩層が主に第1の開口部であることを示しています。ここでは、岩層の透水性が小さいため、破砕帯の発達高さには影響を与えず、基本的には屈曲沈下帯の範疇に入る。

ボーリング孔の観察結果。

3 セクション掘削区域における岩層の注水漏水の変化の変曲点によれば、観測孔 #1 から得られた導水破砕帯の発達高さは約 38.4 m でした。同様に、観察孔 #2 から得られた導水破砕帯の発達高さは約 39.5 m であると結論付けることができます。

以上の解析をもとに、ボーリング観測区間の観測結果をまとめると、1 番孔：H(1) = 38.4 m、2 番孔：H(2) = 39.5 m となった。 2 つのボーリング孔の観測結果は比較的近かった。高い安全率を確保するために、最大値が最終結果として採用されました。したがって、現地測定データによると、小雲炭鉱の1314切羽における通水破砕帯の発達高さの現地測定結果は39.5メートルであると最終的に決定された。

観察場所付近の切羽における炭層の採掘厚さの調査と分析に基づいて、採掘厚さは 3.5 m とみなされたため、小雲炭鉱の 1314 切羽の亀裂採掘率パラメータ T は次のようになります。得られた値: T = 39.5/3.5 = 11.29。

同時に、観測データ点によれば、小雲炭鉱の 1314 作業面上の通水破砕帯の形状は、比較的規則的な「鞍型」分布として示されています。設計の傾斜角と方位角の違いにより、ボーリング孔 1 # と 2 # は、それぞれ「鞍型」破砕帯の上部の緩やかな領域とピーク領域を通過します。 2# ボーリング孔の観察結果は最も大きく、破砕帯発達の最大高さ領域を正確に通過していることが証明されました。図 20 に示すように、掘削現場によってプロットされた破砕帯の形態は非常に高い類似性を持っています。

1314 加工切羽における表土破砕帯の発達形態のフィッティング曲線。

採掘後の 1314 作業切羽の亀裂採掘率によると、1318 作業切羽で測定された導水破砕帯の測定高さは 31.61 m であり、対応する高さ誘導採掘厚さの比は 11.29 m でした。 1314 切羽における通水破砕帯の発達形態を解析すると、同じ地質条件下では、1318 切羽における通水破砕帯の発達形態が「鞍型」形状を呈することが類推分析される。

建築、水域、鉄道、幹線道路の石炭柱設置及び石炭圧力採掘に関する規則の経験式、岩石層群計算と現地測定に基づく理論予測法、通水破砕帯の予測値による。安全のため、3 つの方法の比較分析により、通水破砕帯の最大高さは 42.64 m であり、対応する高さ-採掘厚さの比は 12.92 でした。

物理探査法の結果分析によると、異常ゾーン 1 の鉛直範囲は屋根から 45 ～ 60 m、面積は 3,334 平方メートルでした。異常領域 2 の垂直範囲は屋根から 30 ～ 60 m で、面積は約 2913 平方メートルでした。掘削データの分析によると、1318 加工面の範囲内で最も薄い岩盤は停止線とトラック溝の交差点に位置し、厚さは約 60 m であると結論付けられました。上記の異常箇所は全てこの鉱山の危険箇所でした。 1318 切羽の採掘により、切羽の長さは徐々に短くなりました。岩盤厚さの分布法則に従って、図21に示すように、異なる加工面長さでの加工面の通水破砕帯の予測を行った。加工面の進歩に伴い、水を通す破砕帯の範囲は継続的に減少しました。

切羽の水を通す破砕帯の予測。

安全水防止石炭（岩石）柱の地層構造力学モデルを図 22 に示す。導水破砕帯の高さを Hd、保護層の厚さを Hb、保護層の鉛直高さを Hd とする。安全水防止炭（岩石）柱はHfです。岩盤探査を通じて、第四紀の底部粘土層は 1318 切羽の最大採掘高さよりも高く、岩盤は基本的に中程度の硬岩に属する中程度の砂岩であることが判明しました。したがって、表 7 に示すように、この加工切羽の四元系で採掘した場合の保護層 Hb の厚さは 3A、つまり 3 × 3.3 = 9.9 m となります。総合的な計算により,切羽の第四紀沖積層下の安全水防止石炭(岩)柱Hfは,導水破砕帯の高さHdと保護層の厚さHbの和であると結論づけた。 42.64 + 9.9 = 52.6 m でした。鉱山保安区域で設計された安全水防止石炭(岩)柱は55mであり、実際の採掘場に残された安全水防止石炭(岩)柱は60mを超えていた。したがって、1318 加工面の抽出は第四紀衝突層の水の影響を受けません。

止水石炭（岩石）柱層構造の力学模型。

複雑な岩盤構造の下で、不規則な作業切羽を安全に採掘するには、水が豊富な領域の範囲、カバーロックの厚さと構造、通水亀裂の発達高さなどの多くの要因によって影響を受けました。ゾーン。作業切羽の帯水層下の安全な採掘に対する上記の要因の影響を研究することは、複雑な岩盤帯水層の作業切羽下の安全な採掘の実現可能性分析において重要な指針の役割を果たしました。

豊富な水域の範囲は物理探査法によって決定され、異常領域 1 の鉛直範囲は屋根から 45 ～ 60 m、面積は 3,334 平方メートルでした。異常領域 2 の垂直範囲は屋根から約 2913 m、面積は約 2913 平方メートルでした。複雑な岩盤作業面を持つ帯水層下の安全な採掘を正確に判断するための科学的根拠とデータサポートを提供します。

カバーロックの厚さと構造は掘削方法によって決定されました。掘削データの分析により、1318 加工面の最も薄い部分は停止線とベルト溝の交点に位置し、厚さは約 60 μm であり、最も厚い部分は停止線とベルト溝の交点に位置すると結論付けられました。カットホールとベルト溝、厚さ約180μm。 1318 作業切羽の範囲の岩盤は、南西で低く、北東で高かった。

経験式,岩層群理論予測,隣接作業切羽の現場検出類推解析の3つの方法によると,作業切羽採掘後の破砕帯発達の最大高さは42.64mであった。

豊富な水域の範囲、カバーロックの厚さと構造、および導水破砕帯の発達高さの結果の比較分析に基づいて、採掘危険異常地域とそのサイズが決定されました。止水石炭(岩石)柱の長さは52.6mであり、実際に採掘場に残されている防水石炭(岩石)柱よりも小さかった。

水の安全防止の観点から、切羽は、良好な採掘監視と採掘プロセス中の緊急措置の前提で、安全な採掘のための条件を備えています。研究の結論は、同様の鉱山の採掘に対する重要な安全指導の重要性を提供します。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

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この研究は、石炭資源の効率的な採掘とクリーンな利用に関する州主要研究所によるオープン基金（Nos.2021-KFYB-020）によって支援されました。中国国家自然科学財団 (第 51774195 号); 山東省泰山学者工学建設基金 (No.tsqn201812071)。

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黄万鵬 & 張成国

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WHは論文の全体的な枠組みを構築し、論文データを提供し、論文のコンピュータシミュレーションとフィールド実験を実施し、最終版を承認し、論文全体の執筆において重要な役割を果たしました。 SL は、原稿の起草と改訂、絵の描き、データの処理を行い、作業のあらゆる部分の正確性または完全性に関連する問題が適切に調査され解決されることを保証するために、作業のあらゆる側面に責任を負うことに同意しました。これは結果を解釈する際に重要な役割を果たします。 YWは現場モニタリングを実施し、正確なデータを提供しました。 CZ は原稿を修正し、要約の作成において重要な役割を果たしました。 DJはFLAC 3Dシミュレーションを実行しました。 XCは現場モニタリングを実施し、正確なデータを提供しました。 ZYは現場モニタリングを実施し、正確なデータを提供しました。

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転載と許可

Huang, W.、Sui, L.、Wang, Y. 他複雑な地質条件における鉱山と帯水層の相互作用とその管理の研究。 Sci Rep 13、9462 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34947-6

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受信日: 2023 年 1 月 15 日

受理日: 2023 年 5 月 10 日

公開日: 2023 年 6 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34947-6

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