Investigación sobre los principales factores que influyen y tecnología de soporte completa para la presión dinámica y la carretera de gran deformación.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4136 (2023) Citar este artículo

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Para determinar los principales factores que influyen en la presión dinámica y las grandes vías de deformación, se diseñó un conjunto específico de tecnologías de soporte. Se tomó como ejemplo la vía de entrada de aire 2603 de la mina de carbón de Zhangcun en Lu'an, provincia de Shanxi. Se analizó teóricamente la influencia de la falla normal de Wenwangshan Sur y el campo de tensión in situ en la vía de presión dinámica, y se determinaron los principales factores que influyen en esta presión dinámica y la gran deformación de la vía en condiciones geológicas naturales. El efecto del esquema de soporte de la carretera existente se evaluó mediante métodos de prueba de campo, como pruebas de pernos no destructivas. La influencia de la extracción de dos caras de trabajo sobre la presión dinámica y la gran deformación del camino se estudió mediante el método de simulación numérica FLAC3D. Sobre esta base, se desarrolló un nuevo material de lechada, se propuso un conjunto completo de esquemas técnicos de soporte cooperativo integrado de sección completa de carreteras de presión dinámica y grandes deformaciones, y se verificó el efecto de la aplicación en el campo. Los resultados mostraron que, en condiciones geológicas naturales, la vía de entrada de aire 2603 estaba ubicada dentro del rango de influencia de la falla normal del sur de Wenwangshan, que se vio significativamente afectada y controlada por la falla. El ángulo incluido entre la dirección de extensión de la carretera y la tensión principal máxima fue de 74°, lo que no favorecía la estabilidad de la carretera. El alcance de la zona suelta de la carretera era grande. Bajo las condiciones de soporte existentes, la roca circundante no podía formar una estructura relativamente estable, lo cual fue una de las principales razones de la gran deformación de la roca circundante en el camino de presión dinámica. La vía de entrada de aire 2603 fue afectada por la minería tanto del frente de trabajo adyacente como del frente de trabajo 2603. Las tensiones se superpusieron y la calzada quedó muy deformada y dañada. Se desarrolló un nuevo material de lechada. Se añadió un agente reticulante preparado con diisocianato de tolueno y poliéter poliol al material de poliuretano existente para formar un nuevo material de lechada y se propuso un esquema técnico de soporte completo. Los resultados de la aplicación de campo mostraron que el desplazamiento y el levantamiento del piso de ambos lados de la carretera se redujeron en aproximadamente un 87%, la deformación y falla del macizo de carbón y roca de la carretera se controlaron efectivamente y la deformación de la carretera de presión dinámica se redujo. muy reducido.

Los recursos de carbón de China se formaron en muchos períodos diferentes, con condiciones complejas de madurez y distribución. Más del 90% de la producción minera de carbón se origina en minas de pozo1; por tanto, las carreteras desempeñan un papel vital en la producción de minas de carbón en China. La longitud total de los caminos de las minas de carbón en China alcanza los 50.000 km, y la mayoría de los caminos de preparación y de recuperación están dispuestos en vetas de carbón, de las cuales la longitud de los caminos de recuperación representa más del 60% de la longitud total de los caminos2. Los caminos de vetas de carbón formarán caminos de presión dinámica bajo la influencia de la minería u otras influencias dinámicas; la deformación de las carreteras de presión dinámica suele ser grande y los trabajos de reelaboración son frecuentes, lo que aumenta significativamente el costo de soporte, afecta gravemente la producción segura y eficiente de las minas y restringe la producción intensiva de las minas de carbón. Por lo tanto, la clave para reducir la deformación de las vías de presión dinámica y el costo del soporte es aclarar los principales factores que afectan la gran deformación de las vías de presión dinámica y seleccionar y mejorar las medidas de apoyo de manera específica.

Con respecto a los principales factores que influyen en la gran deformación producida por los caminos de presión dinámica, Li3 cree que el aumento en el área de la sección de la carretera es uno de los principales factores de la gran deformación producida por los caminos de presión dinámica. Según Liang4, la cantidad de desplazamiento de la superficie de la carretera aumenta más rápidamente en la etapa inicial de conducción por la carretera. A medida que aumenta la distancia desde el avance, la cantidad de deformación de la carretera tiende gradualmente a estabilizarse. Zhang5 y Liu6 consideraron que cuando la vía de recuperación de la veta de carbón se ubica a una gran profundidad de enterramiento, las propiedades mecánicas de las placas superior e inferior de la vía cambiarán, lo cual es uno de los principales factores para la gran deformación de la vía de presión dinámica. . Li7 consideró que la razón principal de la gran deformación de los caminos de presión dinámica son las tensiones soportadas por la placa superior del camino y las dos bandas se liberan a través de la placa inferior del camino sin soporte. Liu8 consideró que la débil litología de las losas superior e inferior de la calzada es el principal factor que influye en la gran deformación y daño en la calzada. Sun9 consideró que el rango de control de la estructura de soporte de las varillas de anclaje es menor que la profundidad del daño del tramo de la carretera, y la falla de algunas varillas y cables de anclaje en el tramo de la carretera es la razón principal de la gran deformación de la vía de presión dinámica. . Wang10 analizó el fenómeno del daño de las vías de presión dinámica y la ley de evolución de la tensión de las rocas circundantes y concluyó que la superposición mutua de la tensión inducida por la minería y la tensión vertical de las columnas de carbón es el principal factor que influye en la gran deformación de las vías de presión dinámica. Zheng11 estudió el mecanismo de deformación y daño y la tecnología de refuerzo de la roca circundante de un grupo de carreteras bajo una fuerte presión dinámica y una gran deformación y concluyó que la concentración de tensiones generada por los densos pilares de carbón y la retracción de la superficie de trabajo son los dos factores principales que controlan la gran deformación de la roca circundante. en el grupo de carreteras. Cai12 concluyó que la razón principal de la destrucción de la roca circundante en la cámara de la calzada es que la dirección axial de la calzada es perpendicular u oblicua a la dirección del esfuerzo principal máximo. Yuan13, basándose en la teoría elástico-plástica y en la investigación y análisis de campo, estableció el modelo mecánico de una carretera circular bajo un entorno de presión dinámica profunda, derivó la ecuación implícita del límite de la zona plástica y reveló además el gran mecanismo de deformación de una carretera profunda. Carretera minera de presión dinámica. Kuai 14 utilizó software de simulación numérica como FLAC3D y ANASYS y pruebas de laboratorio para optimizar los parámetros de los materiales de soporte de acuerdo con el entorno de tensión de la roca circundante y las características de deformación de la carretera, combinados con la falla de los materiales de soporte de la carretera en la sección de falla afectada por la presión dinámica. . Chen15 estudió modelos mecánicos de la microestructura de pernos, cables de anclaje y cables de anclaje tipo I y superficies deslizantes basados en las características de deformación de caminos mineros de presión dinámica en una cara de hundimiento totalmente mecanizada y las distribuciones de dos tipos de superficies deslizantes y propuso el soporte idea de “llevar arriba y abajo, controlar los dos lados”. Liu16, de acuerdo con el estado tensional de la roca circundante y las condiciones geológicas, determinó que la vía transversal de transporte en el ala sur de una mina debe seguir el principio de “complementación rígida y flexible, combinación de iniciativa, coordinación y coordinación a corto y largo plazo”. control". Wu17, bajo la influencia de varios factores, monitoreó la tensión del cable de anclaje y llevó a cabo un análisis de tensión sistemático para aprovechar al máximo el papel de soporte activo del cable de anclaje y proporcionar datos básicos para la optimización del esquema de soporte. Wu18 propuso el control de la roca circundante de la carretera restante en un frente de trabajo de gran altura minera mediante el uso de tecnología de soporte de acoplamiento y compensación de presión y logró resultados notables.

Este trabajo tiene como objetivo estudiar la influencia del frente de trabajo minero 2603 sobre la gran deformación de una calzada, determinar los factores que influyen en la presión dinámica de una calzada de gran deformación en un túnel de viento, y luego optimizar los parámetros de soporte. Sobre la base de una extensa investigación, analizamos la evolución de la tensión y la deformación de la carretera que rodea la roca, seleccionamos una tecnología razonable de control de la roca circundante, optimizamos el modo de soporte y los parámetros de la carretera minera secundaria en la mina de carbón de Zhangcun, desarrollamos nuevos materiales de lechada y forman un conjunto completo de tecnologías para la integración de sección completa y el soporte cooperativo de la carretera de gran deformación de presión dinámica en la mina Zhangcun. Los resultados de la investigación mejorarán la seguridad y estabilidad de la carretera, reducirán el costo de soporte y proporcionarán una referencia para el soporte de carreteras de minas con condiciones similares.

La mina de carbón de Zhangcun extrae principalmente la veta de carbón No. 3, que es una veta de carbón estable y explotable en toda el área, con un espesor promedio de 6,28 m. En el área minera 26 de la veta de carbón No. 3, el grupo de la carretera de circunvalación 26, el carril de entrada de aire 2603 y otros carriles están seriamente deformados por la presión dinámica repetida de la cara de trabajo, por lo que necesitan ser reparados con frecuencia. Al mismo tiempo, la presión dinámica también aumenta el coste de mantenimiento del carril y la dificultad de reparar el carril. Estos caminos afectados por la minería u otras dinámicas forman caminos de presión dinámica19. La vía de entrada de aire 2603 es una vía de presión dinámica típica en el área minera 26, que adopta la forma de soporte conjunto de "varilla de anclaje + cable de anclaje + viga de escalera de acero + correa de acero W + malla metálica", y la forma de soporte se muestra en Fig. 1. La Figura 2 ilustra el diseño del túnel del frente de trabajo. El frente de trabajo 2603 está ubicado en medio del área minera 26; el área minera 26 tiene un callejón en su lado sur, el límite del campo minado (falla sur de Wenwangshan) está en el norte, el área vacía minera del frente de trabajo 2601 está en el este y el área no minada está en el oeste. La vía aérea de admisión 2603 soporta las tensiones inducidas por la minería debido a la minería de la cara de trabajo 2601 y a la minería de la cara de trabajo 2603. Durante el período minero, la deformación de la roca que rodea el túnel es relativamente violenta: el volumen total de deformación en los dos lados es superior a 600 mm, el hundimiento máximo de la placa del techo es superior a 1100 mm y la elevación máxima del fondo del piso. es superior a 3600 mm. Mientras tanto, la varilla de anclaje se fractura esporádicamente y toda la calzada que rodea la roca se deforma irregularmente.

Esquema de soporte de la vía de entrada de aire en el frente de trabajo 2603.

Disposición de la cara de trabajo 2603.

La falla normal de Wenwangshan Sur se extiende hacia el este hasta Zhouwangshan, intersectando la zona de la falla Jinhuo (70° de norte a este) y cruzando la falla de Wenwangshan Norte (80° de sur a oeste) cuando se extiende hacia el oeste hasta la aldea de Hongshigou. La relación posicional relativa entre el área de influencia de la falla Wenwangshan y la mina Zhangcun se muestra en la Fig. 3.

Relación de posición relativa entre el área de influencia de la falla Wenwangshan y la mina Zhangcun.

De acuerdo con el índice de evaluación del rango de influencia de la estructura de fractura en el sistema de índice de evaluación de las condiciones geodinámicas20, la mina se ve afectada por una fractura activa cuando la distancia lineal entre el límite del campo minado y la fractura es menor que el rango de influencia de la fractura.

donde k es el coeficiente de actividad (k = 1, 2, 3). Cuando la actividad de la fractura es fuerte, k = 3. Cuando la actividad de la fractura es moderada, k = 2. Cuando la actividad de la fractura es débil, k = 1. h es el recorrido vertical de la fractura (m).

Según los resultados de exploración del departamento geológico, la falla normal de Wenwangshan Sur ha extraviado los sedimentos cuaternarios y es una falla moderadamente activa con un coeficiente de actividad k de 2. El rango de influencia de la falla normal de Wenwangshan Sur en el límite norte de Zhangcun La mina tiene entre 4,6 y 8,0 km y las 26 áreas mineras están ubicadas dentro del rango de influencia de la falla normal de Wenwangshan Sur y, por lo tanto, están afectadas y controladas por ella. La presencia de la falla Wenwangshan aumenta el nivel de tensión en el área, lo que no favorece el soporte de la carretera. Al mismo tiempo, hay varias fallas pequeñas dentro del campo minado de Zhangcun, y las vetas de carbón y las rocas cercanas a las fallas están rotas de tal manera que a menudo se produce desprendimiento y caída del techo, lo que hace que la placa inferior sea desigual, lo que afecta la operación de recuperación y la carretera. apoyo hasta cierto punto.

En mayo de 2021, la División de Diseño Minero de Tiandi Technology Co Ltd. monitoreó la tensión del suelo en la mina Zhangcun utilizando el método de fracturación hidráulica en tres puntos de medición. El académico Hongpu Kang et al. concluyó que la dirección de la tensión principal horizontal máxima se concentraba entre N19,1° W y N72,9° W entre la falla normal sur de Wenwangshan y la falla principal norte de Egangshan21. Yan22 aplicó el método de solución del mecanismo de fuente sísmica integrada y el método de búsqueda de cuadrícula, utilizando datos de fallas para obtener las características de la distribución de orientación del eje de tensión en la unión de Jin, Ji y Yu. A partir del método de solución del mecanismo de fuente sísmica integrada, se determinó que la orientación de la tensión principal máxima en la región de Changzhi está orientada principalmente en la dirección NO-NO, y la dirección de buzamiento es cercana a la horizontal23. Por lo tanto, los resultados de la prueba de tensión del suelo sugieren un valor de tensión principal horizontal máximo de 16,79 MPa, un valor de tensión principal horizontal mínimo de 9,32 MPa, un valor de tensión principal vertical de 13,01 MPa y una dirección de tensión principal máxima de N74,0°W. y seleccionamos estos datos para su análisis y cálculo. El ángulo incluido entre la dirección de la tensión in situ y la vía de entrada de aire de la cara de trabajo 2603 se muestra en la Fig. 4.

Ángulo incluido entre la dirección de tensión in situ y la vía de entrada de aire de la cara de trabajo 2603.

Antes de la excavación del túnel, el cuerpo de roca soporta la tensión original de la roca y permanece estable; Después de la excavación del túnel, la tensión de la roca que rodea el túnel se redistribuye y aparece una zona de cambio de tensión y una concentración de tensión en la roca circundante. De acuerdo con la teoría del soporte del círculo de aflojamiento de roca perimetral24, utilizamos el método de detección de estructura de roca perimetral para medir el ancho y el alcance de las fisuras en el canal de entrada 2603 para determinar la deformación principal de la roca perimetral y la dirección de las fisuras principales en el roca para revelar con precisión el estado de la roca perimetral de ingeniería subterránea y el rendimiento de la roca, el desarrollo de fisuras y el desarrollo de la deformación de la roca perimetral de ingeniería para especular el rango del círculo de aflojamiento.

De acuerdo con los resultados de la prueba del círculo de aflojamiento, se puede realizar la clasificación de estabilidad de las rocas que rodean la carretera. La Tabla 1 muestra el índice de clasificación del camino de la veta de carbón que rodea el círculo de desprendimiento de rocas.

Seleccionamos tres secciones de prueba en la vía aérea de entrada 2603 para realizar pruebas de círculo suelto: a 645 m, 670 my 700 m. Entre ellos, 645 m están a 18 m del carbón triangular, 670 m es el extremo exterior de la sección de mantenimiento invadido y 700 m están a 30 m de la sección invadida. Los resultados de la detección de círculos sueltos muestran que el alcance del círculo suelto del techo del túnel de viento 2603 es de 2 a 4 m, y el alcance del círculo suelto de los dos lados es de 6 a 7 m. El alcance del círculo suelto del techo del túnel de viento 2603 es de 2 a 4 m, lo que corresponde al tipo de roca circundante V-VI y a la categoría de roca circundante inestable a extremadamente inestable; el rango del círculo de aflojamiento de los dos lados es de 6 a 7 m, que pertenece al tipo VI de roca circundante y pertenece a la categoría de roca circundante extremadamente inestable. Teniendo en cuenta los resultados de la detección de círculos sueltos, los parámetros actuales de soporte de anclaje utilizados en el canal 2603 y otros carriles de presión dinámica son los siguientes: espacio entre anclajes superiores 0,85 m, espacio entre filas 0,9 m, 7 filas cada una; distancia entre anclas de grupo 0,85 m, distancia entre filas 0,9 m, 5 filas cada una; anclaje de barra de refuerzo tipo anclaje, diámetro Ф22 mm, longitud 2400 mm; soporte del cable de anclaje. El cable de anclaje superior adopta una disposición “tres-dos”: tres cables de anclaje con una separación de 1,5 m y una separación entre filas de 1,8 m, y dos cables de anclaje con una separación de 2,0 my una separación entre filas de 1,8 m. El cable de anclaje superior es un cable de anclaje de filamentos de acero con un diámetro de Ф17,8 mm y una longitud de 7300 mm; Los dos cables de anclaje en grupo tienen una separación de 2,0 my una separación entre filas de 1,8 m y son cables de anclaje de cordones de acero, con un diámetro de Ф17,8 mm y una longitud de 4300 mm. Según los resultados de la prueba del círculo de aflojamiento, los parámetros de soporte existentes no pueden cumplir con los requisitos de control de las rocas circundantes, que es uno de los principales factores que controlan la gran deformación de los caminos de presión dinámica.

El propósito de la prueba de fuerza de extracción del anclaje es determinar la capacidad de anclaje de la envolvente de la carretera y evaluar el desempeño del sistema de anclaje del anclaje, la resina y la envolvente y la fuerza de anclaje del anclaje25. Se llevaron a cabo tres series de pruebas de extracción a 645–670 m en la vía aérea de entrada 2603, y cada serie se extrajo tres veces. Estas pruebas se realizaron para comprender el desempeño del sistema de anclaje de la roca circundante en las vías de presión dinámica y de gran deformación de la mina de carbón de Zhangcun. Los resultados de la prueba de extracción del ancla en la vía aérea de entrada 2603 de la mina de carbón de Zhangcun se muestran en la Tabla 2.

El tamaño de la fuerza de anclaje está relacionado con la naturaleza de la roca circundante en el punto de anclaje y el efecto de anclaje. Según las regulaciones de la mina de carbón Lu'an Zhangcun, la fuerza de extracción del anclaje debe cumplir con los requisitos de resistencia del anclaje (120-190 kN). Según 3 series de 9 pruebas de extracción, la sección de anclaje falló con una fuerza de anclaje promedio de 182,2 kN cuando la longitud de la sección de anclaje era de 120,8 cm, lo que satisfizo el requisito de resistencia del anclaje (120-190 kN).

Esto indica que la calidad y la fuerza del anclaje no son los principales factores que influyen en la gran deformación de los carriles de presión dinámica, como la vía aérea de entrada 2603.

Para el desempeño del anclaje de las varillas de anclaje, se completaron pruebas no destructivas de las varillas de anclaje en la vía aérea de entrada de la cara de trabajo 2603. Se seleccionaron tres ubicaciones, en el mismo tramo de la mirilla; 645 m, 670 m y 700 m.

Los resultados de las pruebas no destructivas de las varillas de anclaje mostraron que la integridad del proceso de soporte de las varillas de anclaje fue buena y que el rendimiento de las varillas de anclaje fue "excelente". El rendimiento del anclaje de la varilla de anclaje no es el factor principal que influye en la gran deformación de los carriles de presión dinámica, como el carril de entrada de aire 2603.

En resumen, en condiciones geológicas naturales, carreteras como la carretera de entrada de aire 2603 se deforman gravemente debido a la influencia de la tensión del suelo y, según los resultados de la prueba del círculo de aflojamiento, el método de soporte existente no es suficiente para mantener la estabilidad de la carretera. Además de las condiciones geológicas, la carretera se ve afectada por la minería del frente de trabajo, y se llevan a cabo más investigaciones sobre la influencia de la minería del frente de trabajo en la carretera, como la carretera de entrada de aire 2603.

Se realizó un análisis detallado del impacto de la minería posterior del frente de trabajo en el carril de entrada de aire 2603 mediante el modelado y el cálculo del frente de trabajo 2603 como ejemplo. El frente de trabajo 2603 de la mina de carbón de Zhangcun está ubicado en el medio del área minera 26, con el callejón del área minera 26 al sur, el límite del campo minado (Falla Sur de Wenwangshan) al norte, el área minera del frente de trabajo 2601 hacia el al este y la zona no minada al oeste. El frente de trabajo 2603 tiene una longitud de pozo de 320 m, una longitud recuperable de 1153 m y una reserva recuperable de 2,84 millones de toneladas. El frente de trabajo 2603 utiliza la técnica de dejar un callejón a lo largo de la carretera para ayudar en la minería del frente de trabajo. El frente de trabajo 2603 utiliza el trazado vial “Y + camino de alta extracción”. Se utilizó el software de diferencias finitas FLAC3D para establecer un modelo de simulación numérica basado en la producción y las condiciones geológicas de los frentes de trabajo 2601 y 2603 y para analizar la distribución de tensión de la roca circundante durante la minería del frente de trabajo mediante cálculo numérico. El modelo numérico de minería de frente de trabajo se estableció como se muestra en la Fig. 5.

Modelo numérico FLAC3D.

Los parámetros mecánicos de cada veta de carbón se muestran en la Tabla 3. Las condiciones de contorno del modelo computacional se determinan de la siguiente manera.

Se imponen restricciones a lo largo del eje X en los límites en ambos extremos del eje X del modelo, es decir, el desplazamiento del límite en la dirección X es cero.

Se imponen restricciones a lo largo del eje Z en el límite en ambos extremos del eje Z del modelo, es decir, el desplazamiento del límite en la dirección Z es cero.

El límite del eje Y (inferior) del modelo impone una restricción fija a lo largo del eje Y, es decir, los desplazamientos en la dirección Y del límite inferior son todos cero.

La parte superior del modelo es un límite libre.

Combinando los resultados de las mediciones de tensión del suelo en el campo minado, las condiciones de carga límite del modelo se calcularon de la siguiente manera.

Se aplica una tensión de 16,94 MPa en la dirección del eje X del modelo.

Se aplica una tensión de 9,32 MPa en la dirección del eje Z del modelo.

Se aplica una tensión de 12,5 MPa en la dirección del eje Y del modelo, se aplica una carga equivalente de 12,5 MPa a la parte superior del modelo y la carga de peso propio se establece en la dirección Y.

El punto de observación seleccionado en el túnel de viento está ubicado en el ojo de corte abierto a 300 m, como se muestra en la Fig. 6. La cara de trabajo 2603 está a la derecha de la cara de trabajo 2601 con o sin minería primaria y minería secundaria. Utilizando la simulación numérica FLAC3D de la carretera 2603 en el túnel de viento, se estudian los cambios de tensión y a continuación se describe el impacto minero primario: cuando el frente de trabajo 2601 avanzó 50 m, el valor de tensión de la placa inferior del túnel de entrada 2603 fue 10,83 MPa, el grupo izquierdo fue 19,72 MPa y el grupo derecho fue 20,10 MPa; cuando el frente de trabajo 2601 avanzó 100 m, el valor de tensión de la placa inferior del túnel de entrada 2603 fue de 11.81 MPa, el tramo izquierdo fue 21.73 MPa y el tramo derecho fue 23.59 MPa; cuando el frente de trabajo 2601 avanzó 150 m, el valor de tensión de la placa inferior del túnel de entrada 2603 fue de 12,91 MPa y del tramo izquierdo fue de 22,73 MPa. La tensión de la placa inferior del túnel de entrada de aire 2603 es de 12,91 MPa, la del grupo izquierdo es de 22,73 MPa y la del grupo derecho es de 24,31 MPa; la tensión de la placa inferior del túnel de entrada de aire 2603 es 13,20 MPa, la tensión del tramo izquierdo es 24,08 MPa y la tensión del tramo derecho es 26,93 MPa cuando la cara de trabajo 2601 avanza 200 m; La tensión de la placa inferior del túnel de entrada de aire 2603 es 16,59 MPa, la tensión del tramo izquierdo es 27,52 MPa y la tensión del tramo derecho es 29,44 MPa cuando la cara de trabajo 2601 avanza 250 m. En cuanto al impacto de la minería secundaria, cuando el frente de trabajo 2603 no está minado, la tensión de la placa inferior de la calzada es de 14.3 MPa, la tensión de la banda izquierda es de 23.74 MPa y la tensión de la banda derecha es de 25.24 MPa; cuando el frente de trabajo avanza 50 m, la tensión de la placa inferior de la calzada es de 15,9 MPa, la tensión del tramo izquierdo es de 24,40 MPa y la tensión del tramo derecho es de 27,52 MPa; Cuando el frente de trabajo avanza 100 m, la tensión de la placa inferior de la carretera es de 16,9 MPa, la tensión del tramo izquierdo es de 24,40 MPa y la tensión del tramo derecho es de 27,52 MPa. Cuando el frente de trabajo avanza 100 m, la tensión de la placa inferior de la carretera es de 16,9 MPa, la tensión del tramo izquierdo es de 25,72 MPa y la tensión del tramo derecho de 30,50 MPa; cuando el frente de trabajo avanza 150 m, la tensión de la placa inferior de la carretera es de 18,9 MPa, la tensión del tramo izquierdo es de 27,72 MPa y la tensión del tramo derecho es de 33,42 MPa; cuando el frente de trabajo avanza 200 m, la tensión de la placa inferior de la carretera es de 23,3 MPa, la tensión del tramo izquierdo es de 29,09 MPa y la tensión del tramo derecho es de 36,22 MPa; Cuando el frente de trabajo avanza 250 m, la tensión en el fondo del camino es de 26.03 MPa, la tensión del tramo izquierdo es de 32.48 MPa y la tensión del tramo derecho es de 39.73 MPa.

Ubicación del punto de observación en la calzada.

Del análisis anterior, se puede ver que la vía de entrada 2603 de la mina de carbón de Zhangcun se ve afectada por las tensiones inducidas por la minería tanto del frente de trabajo 2601 como del frente de trabajo 2603. Bajo la influencia de la minería primaria del frente de trabajo 2601, el coeficiente de concentración de tensiones de la placa inferior de la vía de entrada 2603 es 1,68 y el coeficiente de concentración de tensiones de ambas bandas es 1,47–1,72. Bajo la influencia de la minería secundaria del frente de trabajo 2603, el coeficiente de concentración de tensiones de la placa inferior de la vía de entrada 2603 es 2,64, y el coeficiente de concentración de tensiones de ambas bandas es 1,74–2,32. El coeficiente de concentración de tensiones del carril de entrada 2603 es 2,64 y el coeficiente de concentración de tensiones de ambas bandas es de 1,74 a 2,32. En comparación con eso después de la extracción primaria, el coeficiente de concentración de tensiones de la placa inferior del carril de entrada 2603 aumenta en 0,96, y el coeficiente de concentración de tensiones de ambas bandas aumenta entre 0,27 y 0,60 bajo la influencia de la extracción secundaria de las caras de trabajo 2601 y 2603. . El cambio en el coeficiente de concentración de tensiones del carril de entrada 2603 bajo la influencia de la minería se muestra en la Tabla 4. El coeficiente de concentración de tensiones refleja el grado de concentración de tensiones; cuanto mayor es el coeficiente de concentración de tensiones, mayor es la tensión en la carretera26, y la superposición de las tensiones causadas por la minería trasera es la razón principal de la gran deformación y daño de la roca circundante del carril de entrada de aire 2603.

Según los resultados del análisis de factores como la destrucción plástica de la roca circundante de la vía aérea de entrada 2603, en condiciones geológicas naturales, la tensión del suelo tiene un gran impacto en la vía aérea de entrada de la cara de trabajo 2603, lo que no favorece el mantenimiento de la estabilidad de la calzada, y el método de soporte existente no es suficiente para mantener la estabilidad de la calzada durante la prueba del círculo de aflojamiento. Bajo la influencia de la minería, el cuerpo de carbón del fondo sufre primero una deformación plástica, lo que a su vez conduce a que la tensión de las dos bandas y la capa de roca de carbón suprayacente se transfiera a la capa de roca del fondo a través de la roca circundante en la zona elástico-plástica, causando Daños al túnel de entrada de aire 2603 y a las dos bandas. La debilidad de la capacidad autoportante de la vía del túnel de entrada de aire 2603 es la causa fundamental de su gran deformación y daño, y mejorar y mantener la capacidad autoportante de la roca circundante es una forma confiable de resolver este tipo de problema. . Para esta situación, se diseñaron tres tipos de planes de refuerzo de lechada para la roca circundante del túnel, y los planes de implementación específicos de los tres planes de lechada se muestran en la Tabla 5.

El efecto del soporte existente y tres esquemas de optimización de refuerzo de lechada se simulan y analizan mediante simulación numérica FLAC3D, y la comparación del efecto del soporte existente y tres esquemas de optimización de lechada se muestra en la Tabla 6.

Según los resultados de la simulación, bajo la condición de lechada de sección completa, el hundimiento de la losa superior es de 630 mm, que es un 44% menor que el soporte original, el abultamiento inferior de la losa inferior es de 1210 mm, que es un 67% menor que el soporte original. , y los dos soportes de la calzada se acercan 1570 mm, un 74% menos que el soporte original. Este resultado muestra que el efecto de la lechada de sección completa es mejor con la opción de optimización tres. El esquema de soporte de lechada de sección completa tiene el mejor efecto en el control de la roca circundante de la carretera en comparación con la lechada de cable de anclaje de los dos soportes y la lechada de varilla de anclaje de la placa inferior; por lo tanto, se recomienda el esquema de soporte de lechada de sección completa para el refuerzo de roca que rodea la carretera.

En la actualidad, el material seleccionado para la lechada de carreteras en la mina de carbón de Zhangcun es material de poliuretano. Para cumplir con los requerimientos de la cultura contable, se mejora aún más el desempeño del material de soporte bajo la premisa de reducir el costo existente en un 5%. Para ello se desarrollaron nuevos materiales de lechada.

Proceso de investigación

Los materiales y reactivos utilizados en los experimentos se muestran en la Tabla 7, donde el isocianato y el poliéter poliol son las materias primas para la reacción de esterificación, y el organoestaño se usa como catalizador para controlar la velocidad de las reacciones de gelificación y formación de espuma. Los experimentos se centraron en el efecto de la dosificación del agente reticulante sobre las propiedades de compresión y el rendimiento de unión del sistema de material de refuerzo. El reticulante se formuló con diisocianato de tolueno y poliéter poliol. La cantidad de agente reticulante se añadió al 0, 2%, 4%, 6%, 8%, 10% y 12% de la fuerza de coagulación del componente de poliuretano A.

Se preparó el refuerzo de poliuretano de dos componentes, se vertió en vasos de papel de plástico cilíndricos de tamaño uniforme antes de que el medicamento comenzara a fraguar y se desmoldó después de que se había fraguado y formado por completo. Los siete grupos de muestras desmoldeadas se lijaron con papel de lija uno por uno hasta formar un cilindro de 30 mm de altura y 50 mm de diámetro y se dejaron para pruebas de compresión. Las muestras de compresión se muestran en la Fig. 7.

Muestra comprimida.

Se prepararon catorce piezas de tiras de acero inoxidable con un tamaño de 100 mm × 25 mm × 15 mm y se limpiaron con etanol anhidro, y las superficies de las muestras se limpiaron a fondo. Por parejas, se creó una junta a tope plana de 25 mm × 15 mm con un espacio de 1 mm. Luego, se colocaron los 7 grupos de probetas sobre la mesa horizontal. Nest se siguieron los siguientes pasos: Preparar el agente de refuerzo de poliuretano de dos componentes. Antes de que comience a solidificarse, use una pipeta para absorber una cantidad adecuada de medicamento, inyéctelo completamente en el espacio reservado para la muestra de la junta a tope y déjelo reposar durante más de 24 h para que se solidifique total y completamente, como se muestra en Fig. 8, y déjelo para la prueba de tracción.

Resultados de la investigacion

Muestra de unión.

Cada grupo de especímenes produce una ligera diferencia en las variables de deformación, y los especímenes después del experimento de compresión se muestran en la Fig. 9. Las muestras después del ensayo de tracción se muestran en la Fig. 10.

Muestras comprimidas.

Muestra de prueba de adherencia después de la prueba de tracción.

Las curvas de fuerza-compactación de los siete conjuntos de muestras comprimidas dibujadas usando el software Origin se muestran en la Fig. 11. Bajo la condición de carga de hasta 20 kN, las curvas siguen el patrón general de disminución gradual en la compactación del No. 1 al No. 7, que muestra que la resistencia de las probetas aumenta gradualmente.

Curva de prueba de compresión.

Se puede concluir que en la materia prima, el contenido de agente reticulante y la dureza del refuerzo de poliuretano están correlacionados positivamente y que cuanto mayor sea el contenido de agente reticulante, mayor será la resistencia del refuerzo de poliuretano. Las curvas de fuerza-alargamiento de los siete grupos de muestras adheridas dibujadas usando el software Origin se muestran en la Fig. 12. Bajo la condición de carga gradual, la curva tiende aproximadamente a disminuir del alargamiento No. 1 al No. 7 en su conjunto. y la carga aplicada en el momento de la fractura primero aumenta y luego disminuye. Existe una relación entre el rendimiento de unión de la muestra y la proporción de materias primas.

Curva de alargamiento de fuerza.

Cuando se añadió el agente reticulante combinado con diisocianato de tolueno y poliéter poliol, la fuerza de unión de la muestra nº 3, es decir, con 4% de agente reticulante, fue la mayor y 1,87 veces mayor que sin el agente reticulante; el módulo elástico de la muestra No. 7, es decir, con 12% de agente reticulante, fue el mayor y 6,33 veces mayor que sin el agente reticulante. Considerados en conjunto, el módulo elástico es 3,56 veces mayor que sin el agente reticulante, y la fuerza de unión es 1,87 veces mayor que sin el agente reticulante cuando se añade un 4% de agente reticulante al material de soporte existente.

Para estudiar el efecto de la aplicación en campo del nuevo material de lechada en el método de lechada de sección completa, se seleccionaron 510–530 m de la carretera de entrada de aire 2603 como carretera de prueba y la tecnología se aplicó en el campo. Para verificar el efecto de refuerzo después del enlechado, se instalaron dos tramos de monitoreo a 520 m (tramo enlechado) y 490 m (tramo no enlechado), y se utilizó el método de entrecruzamiento para monitorear y comparar el desplazamiento de ambos lados de la calzada y el desplazamiento de las placas superior e inferior. La comparación de las deformaciones y abultamientos del fondo de la sección sin lechada y la sección con lechada se muestran en las Figs. 13, 14.

Comparación de la deformación entre los lados sin y con lechada.

Comparación de los resultados del levantamiento del fondo sin lechada y con lechada.

A través de un análisis comparativo, durante el período de monitoreo de 30 días, el volumen del tambor inferior de la sección sin lechada alcanzó 1198 mm y el desplazamiento de ambas bandas alcanzó 1043 mm. El volumen del tambor inferior de la carretera cambió considerablemente al principio, pero el aumento en el volumen del tambor inferior disminuyó en la etapa posterior y el desplazamiento de ambos grupos aumentó casi linealmente. Después de la inyección, se controlaron el volumen del tambor inferior y el desplazamiento de ambos grupos, el volumen máximo del tambor inferior fue de 130 mm, el desplazamiento máximo de ambos grupos fue de 153 mm y el desplazamiento y el volumen del tambor inferior de ambos grupos se redujeron en aproximadamente 87 mm. %. Estos hallazgos muestran que el cuerpo original de roca de carbón rota se solidificó en un todo completo bajo la acción de la lechada después del refuerzo de lechada de la carretera, por lo que las varillas y cables de anclaje fueron bastante efectivos. Después de agregar el nuevo material, el volumen de deformación se redujo aún más en un 13% en comparación con los resultados optimizados de la simulación numérica, y el efecto del nuevo material de lechada fue más significativo, lo que controló efectivamente la deformación y el daño del cuerpo de roca de carbón de la calzada, lo que indica que la estabilidad de la calzada mejoró después del refuerzo de lechada.

El túnel de viento 2603 de la mina de carbón de Zhangcun está ubicado cerca de la falla normal del sur de la montaña Wenwangshan y está influenciado por ella; El túnel está dispuesto en dirección norte-sur y la orientación de la tensión principal máxima es de 74°. La tensión del suelo tiene un gran impacto en el frente de trabajo 2603 en el túnel de viento, lo que no favorece el mantenimiento de la estabilidad del túnel.

La calidad del anclaje, la fuerza del anclaje y el rendimiento del anclaje no son los principales factores que influyen en la gran deformación de los caminos de presión dinámica como el camino de entrada de aire 2603; el gran círculo de aflojamiento y la incapacidad de la roca circundante para formar una estructura relativamente estable bajo las condiciones de soporte existentes son algunas de las principales razones de la gran deformación de la roca circundante en el camino de presión dinámica estudiado.

El túnel de viento 2603 se ve afectado por las tensiones inducidas por la minería del frente de trabajo 2601 y del frente de trabajo 2603, el coeficiente de concentración de esfuerzos de la placa inferior del túnel de viento 2603 es 2,64 y los dos coeficientes de concentración de esfuerzos de apoyo son 1,74-2,32. La superposición de tensiones causadas por la minería inversa es la razón principal de la gran deformación y daño de la roca circundante del túnel de viento 2603.

De acuerdo con los principales factores que influyen en la gran deformación y daño del carril de presión dinámica, como el carril de entrada de aire 2603, se determinó un nuevo método de soporte de lechada de sección completa. Los parámetros específicos son los siguientes: las placas superior e inferior adoptan varillas de anclaje de barras de refuerzo de φ22 × 2400 mm, con un espacio entre hileras de 850 × 1000 mm y 7 juegos seguidos; las varillas de anclaje superiores adoptan varillas de anclaje con lechada de φ17,8 × 7300 mm, con un espacio de 1500 × 2000 mm y 2 juegos en cada fila; los grupos izquierdo y derecho adoptan varillas de anclaje de acero roscadas de φ22 × 2400 mm, y la distancia entre filas de varillas de anclaje es de 800 × 1000 mm, con 5 juegos seguidos; los cables de anclaje adoptan cables de anclaje inyectados de φ17,8 × 4300 mm y la distancia entre los cables de anclaje es de 1200 × 2000 mm, con 2 juegos en cada fila.

Se desarrolló un nuevo material de lechada con la adición de un agente reticulante formulado a partir de diisocianato de tolueno y poliéter poliol al poliuretano de fuerza de coagulación existente. La fuerza de unión fue la más alta con un 4% de agente reticulante, que fue 1,87 veces mayor que sin agente reticulante, y el módulo elástico fue el más alto con un 12% de agente reticulante. Se llevó a cabo una prueba de campo a 520 m en el túnel de viento 2603 y el resultado fue que la deformación de la roca que rodea el túnel se redujo significativamente y el efecto fue notable.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Este proyecto fue apoyado por el Proyecto No. 51904145 de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Proyecto Abierto de Evaluación de Desastres por Estallidos de Rocas en Minas Profundas No. LMYK2021005, el Proyecto Abierto de Evaluación de Desastres por Estallidos de Rocas en Minas Profundas No. LMYK2020006, el Liaoning Natural Plan de Orientación del Programa de la Fundación Científica N° 2019-ZD-0045, el Proyecto N° LJ2019JL007 del Departamento de Educación Provincial de Liaoning y el proyecto de licitación anunciado del Plan Provincial de Ciencia y Tecnología de Shanxi N° 20191101015.

Facultad de Minería, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, 123000, China

Hai Rong, Kaipeng Guo y Bingjie Huo

Instituto de Investigación de Planificación y Exploración de Geología del Carbón de la Provincia de Shandong, Jinan, 250104, China

sol dequan

Laboratorio de ingeniería de evaluación de desastres por explosiones de rocas en minas profundas, Jinan, 250104, China

sol dequan

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Mingkun Luo

Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, 123000, China

wei dong

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HR, KP y MK escribieron el texto principal del manuscrito. WD, DQ y BJ fueron responsables de la elaboración de figuras y tablas y del análisis de datos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Hai Rong.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rong, H., Guo, K., Sun, D. et al. Investigación sobre los principales factores que influyen y tecnología de soporte completa para la presión dinámica y la carretera de gran deformación. Representante científico 13, 4136 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31170-1

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Recibido: 20 de noviembre de 2022

Aceptado: 07 de marzo de 2023

Publicado: 13 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31170-1

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