Estudio de las interacciones entre minería y acuíferos en condiciones geológicas complejas y su gestión - El lago de los cisnes Co., Ltd de Shijiazhuang

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9462 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

La interacción de la minería y el agua superficial o el sistema acuífero en condiciones variables de estratos de sobrecarga es uno de los aspectos más críticos de las prácticas de minería sostenible, que puede conducir a la pérdida de agua o a la entrada de agua en las aberturas. Este documento examinó este fenómeno en una condición de estratos complejos a través de un estudio de caso y propuso un nuevo diseño de minería para minimizar el impacto de la minería de tajo largo en el acuífero superpuesto. Se ha identificado una variedad de factores que contribuyen a la perturbación potencial del acuífero, incluida la extensión del área rica en agua, las características de las unidades de roca de sobrecarga y la altura de desarrollo de la zona de fractura conductora de agua. En este estudio, se utilizaron el método electromagnético transitorio y el método eléctrico tridimensional de alta densidad para identificar dos áreas propensas al peligro de irrupción de agua en el frente de trabajo. El rango vertical del área anormal rica en agua 1 está a 45–60 m del techo, con un área de 3334 m2. El rango vertical del área anómala rica en agua 2 está a una distancia de 30 a 60 m del techo, con un área de aproximadamente 2913 m2. Se utilizó el método de perforación de lecho rocoso para determinar que la parte más delgada del lecho rocoso, con un espesor de aproximadamente 60 m, y la parte más gruesa, con un espesor de aproximadamente 180 m. La altura máxima inducida por la minería de la zona de fractura fue de 42,64 m usando método empírico, predicción teórica basada en el grupo de estrato rocoso, monitoreo de campo. En resumen, se determinó el área de alto riesgo y el análisis muestra que el tamaño del pilar de prevención de agua era de 52,6 m, que era más pequeño que el pilar de prevención de agua segura que se encuentra actualmente en el rango minero. La conclusión de la investigación proporciona una importante orientación de seguridad para la extracción de minas similares.

La minería de carbón bajo la masa de agua incluye la minería de carbón bajo la masa de agua superficial, la minería de carbón bajo la masa de agua del acuífero suelto y la minería de carbón bajo la masa de agua del acuífero de lecho rocoso1,2. Cuando el cuerpo de agua es un acuífero de lecho rocoso, el grosor del lecho rocoso es irregular y el techo de la cara de trabajo está cubierto por un acuífero. En posiciones con espesores de lecho de roca delgados, si la zona de fractura formada después de la extracción del frente de trabajo conduce a un acuífero, existe el riesgo de desastres por irrupción de agua3,4,5,6.

La minería segura bajo el acuífero del frente de trabajo del lecho rocoso se ve afectada por muchos factores, como el alcance del área rica en agua, el espesor y la estructura de la roca de cobertura y la altura de desarrollo de la zona de fractura conductora de agua7,8 ,9,10,11,12,13. Muchos investigadores tienen investigaciones relativamente maduras en teoría y aplicación práctica. Wang et al. predijeron la altura de la zona de fractura por conducción de agua bajo diferentes condiciones de espesor de minado mediante el establecimiento de modelos mecánicos14,15,16. Li et al. predijeron y analizaron la factibilidad de minería segura bajo acuíferos con base en la teoría mecánica y determinaron las condiciones críticas y las fórmulas de predicción para la ocurrencia de irrupción de agua y explosión de arena17,18. Chen et al. simuló el proceso experimental de desastres por irrupción de agua y explosión de arena a través de materiales similares y presentó sugerencias factibles para una minería segura bajo acuíferos19,20. Yang Bin et al. describió la compleja relación no lineal entre el sistema de índices bajo el acuífero y la seguridad minera a través de modelos matemáticos21. En resumen, numerosos investigadores han realizado muchos análisis sobre la situación actual de la investigación de teorías y tecnologías relacionadas con el control del agua y han obtenido algunos resultados de investigación importantes22,4,23,24. La investigación anterior ha desempeñado un papel importante en la orientación del análisis de viabilidad de la minería segura bajo la cara de trabajo teóricamente predicha.

Para garantizar la minería segura del frente de trabajo debajo del acuífero de lecho rocoso complejo, determinar el rango de peligro del acuífero y la estructura del lecho rocoso y predecir la altura de desarrollo de la zona de fractura después de la extracción del frente de trabajo son los problemas clave que deben resolverse primero. . Actualmente, la principal forma de determinar el trabajo geológico e hidrológico de la exploración minera sigue siendo el método de detección de campo, que también es el método más directo y confiable, incluido el método de perforación, el método de prospección geoquímica, los métodos de exploración geofísica (incluida la resistividad de alta densidad). método microsísmico, método de ondas acústicas), experimentos hidrogeológicos, etc. El uso de métodos de exploración geofísica para detectar el alcance del área rica en agua del techo y el uso de métodos de perforación para detectar el espesor y la estructura de la roca de cobertura puede ser más intuitivo y preciso para determinar la viabilidad de una minería segura bajo acuíferos de lechos rocosos complejos.

El frente de trabajo de minería integral 1318 de la mina de carbón Xiaoyun de Shandong Jining Mining Group tiene un diseño trapezoidal irregular y seudooblicuo. El espesor de la capa suelta en la capa de estratos suprayacente es grande, lo que refleja la presencia inestable de lecho rocoso, que es grueso en algunos lugares y delgado en otros, y el techo del frente de trabajo está cubierto por un acuífero. Si la zona fracturada formada después de la extracción del frente de trabajo conduce al acuífero, existe el riesgo de un desastre de irrupción de agua. En este estudio, se propusieron métodos de exploración geofísica para explorar el alcance del área rica en agua. El espesor y la estructura de la roca de cobertura fueron detectados por el método de perforación. La altura de la zona de fractura conductora de agua se predijo mediante predicción de fórmula empírica, predicción teórica, análisis de detección de campo y otros métodos. Finalmente, se juzgó si el tamaño del pilar de carbón (roca) de prevención de agua del frente de trabajo estaba en línea con el rango de minería segura, y se analizó exhaustivamente la viabilidad de la minería segura debajo del acuífero del frente de trabajo del lecho rocoso. La conclusión de la investigación proporciona una importante orientación de seguridad para la extracción de minas similares25,26.

La mina de carbón Xiaoyun está ubicada en la ciudad de Jining, provincia de Shandong, China. La veta de carbón 3 se extrae principalmente. La veta de carbón se dirige al noroeste y tiende al noreste. El ángulo de inclinación del manto de carbón es de 13° ~ 26°, con un promedio de 17°. El espesor medio de la veta de carbón es de 2,8 m. Como se muestra en la Fig. 1. El rumbo de la cara de trabajo es casi de este a oeste, y la tendencia es casi al norte en una forma trapezoidal irregular con un diseño seudooblicuo. La longitud del frente de trabajo en el corte es de 220 m. Con el avance de la cara de trabajo, la longitud de la cara de trabajo se acorta gradualmente, la longitud de la cara de trabajo en la línea de parada es de aproximadamente 100 my la longitud de avance de la cara de trabajo es de 290 m. La cubierta está compuesta principalmente por diversas areniscas medias y areniscas finas, entre las que destaca la cubierta inmediata de arenisca fina con un espesor medio de 4,65 m y la cubierta antigua de arenisca media con un espesor medio de 13,45 m. El histograma geológico integral se muestra en la Fig. 2. El espesor del lecho rocoso dentro de la cara de trabajo aumenta gradualmente de suroeste a noreste, y el espesor de la parte más delgada es de aproximadamente 60 m. La principal fuente de llenado de agua en el área minera es el acuífero de fisura arenisca del techo de 3 carbones. Este acuífero está compuesto por areniscas de grano medio y areniscas de grano fino de cuarzo gris blanco, que contienen inclusiones o franjas fangosas, con un espesor promedio de 45,8 m. La unidad de entrada de agua del acuífero es de 0,00001295 ~ 0,00821 L/s·m, y el coeficiente de permeabilidad es de 0,000599 ~ 0,016 m/d. La conectividad del sistema acuífero de arenisca en el techo de la veta de carbón No.3 es deficiente, el contenido de agua es heterogéneo y el alcance de algunas áreas ricas en agua no está claro.

El diseño de la cara de trabajo 1318.

El histograma geológico completo de 1318.

En la roca de cobertura del frente de trabajo, el lecho rocoso es inestable y de espesor desigual, y el techo del frente de trabajo está cubierto por un acuífero. Por lo tanto, si la zona de fractura formada después de la extracción del frente de trabajo conduce al acuífero, existe el riesgo de un desastre por irrupción de agua. Por lo tanto, se debe realizar un estudio de factibilidad antes de minar el frente de trabajo.

Usando técnicas geofísicas como el método electromagnético transitorio de la mina y el método eléctrico tridimensional de alta densidad27,28,29,30,31, se exploró el alcance de las áreas anormales ricas en agua en el acuífero suprayacente de la cara de trabajo 1318.

Como se muestra en las Figs. 3 y 4. La detección se llevó a cabo en las ranuras de la correa, las ranuras de la pista y el orificio de corte en la cara de trabajo 1318. La distancia entre posiciones de detección adyacentes fue de 10 m. Se dispuso un total de 37 posiciones de detección desde la línea de parada hasta el orificio de corte en las ranuras de la correa, se dispusieron 38 posiciones de detección desde el punto del cable X6 hasta el orificio de corte en las ranuras de la correa, y se colocaron 20 posiciones de detección en el agujero de corte Entre ellos, se detectó la dirección del techo de la cara de trabajo, y la dirección de detección del techo fue de 45°, 90° hacia arriba y 45° hacia abajo. Los perfiles de resistividad bidimensional de cada dirección de detección se realizaron a dos profundidades de 45 m y 60 m desde la parte superior de Coal Seam 3. Se analizaron exhaustivamente los perfiles de resistividad de diferentes ángulos de cada línea de levantamiento. Se analizó principalmente la capa del acuífero del techo que amenaza la explotación minera de Coal Seam 3, y se formó un diagrama de corte de lecho de resistividad de piedra caliza. El análisis integral puede obtener un alcance más completo y preciso del área de anomalía rica en agua del acuífero suprayacente en la cara de trabajo.

Diagrama esquemático de la detección del método electromagnético transitorio.

Diagrama de dirección de detección de la cara de trabajo 1318.

Como se muestra en la Fig. 5. La detección se llevó a cabo en las ranuras de la correa, la ranura de la pista y el orificio de corte de la cara de trabajo 1318, con un espacio de 5 m entre los puntos de medición adyacentes. Se dispusieron un total de 3 líneas de medición, una línea de medición se colocó en las ranuras de la correa, con 72 puntos de medición, una línea de medición se colocó en la ranura de la pista, con 88 puntos de medición, y una línea de medición se colocó en el corte. agujero, con 45 puntos de medición. Entre ellos, el perfil de resistividad tridimensional de cada dirección de detección se dividió en capas de lecho de resistividad de 30 m y 40 m desde la parte superior de Coal Seam 3. De acuerdo con la forma de reflexión, el tamaño del rango y el valor de resistencia de la isolínea de resistividad aparente (cromatograma) en el mapa de la sección de resistividad aparente invertida por el método de resistividad de alta densidad, combinado con datos geológicos y topográficos, el alcance del área de anomalía rica en agua del acuífero suprayacente en la superficie de trabajo se puede obtener de manera más completa y precisa a través de el análisis exhaustivo de los datos.

Diagrama de diseño de posición de detección eléctrica de alta densidad.

Se utilizó el método de perforación de lecho rocoso para investigar la litología, el espesor y la distribución del acuífero del techo y el acuicludo de Coal Seam 332,33. Como se muestra en la Fig. 6. Las cámaras de perforación se diseñaron con una cámara de perforación en las ranuras de la correa 1318 y dos cámaras de perforación en la ranura de la pista 1318. La cámara de la plataforma de perforación 1 está ubicada 28 m detrás del punto P7 de la ranura de la correa 1318, la cámara de la plataforma de perforación 2 está ubicada 11,7 m antes del punto X9 de la ranura de la pista 1318 y la cámara de la plataforma de perforación 3 está ubicada 10 m antes punto X8 de la ranura de la pista 1318. Entre ellos, se construyó la cámara de la plataforma de perforación 2 con 4 pozos de exploración y drenaje de techo, los cuales fueron DT-1, DT-2, DT-3 y DT-4. La litología de los pozos fue principalmente arenisca. Los parámetros de perforación se muestran en la Tabla 1. A través del análisis comparativo integral de los resultados de perforación, se puede obtener una litología, espesor y distribución del lecho rocoso más completos y precisos del acuífero suprayacente en la cara de trabajo.

Diseño de distribución de pozos de perforación.

La altura de desarrollo de la zona de fractura es el factor clave para una minería segura bajo el acuífero. La investigación teórica sobre la altura de desarrollo de la zona de fractura es la base para evaluar la viabilidad de una minería segura en los frentes de trabajo34,35,36,37,38,39.

La Tabla 2 es la fórmula para calcular la altura de la zona de fractura conductora de agua ampliamente utilizada por los técnicos de campo de minas de carbón chinos en la actualidad, que se basa en la fórmula empírica proporcionada en las Regulaciones sobre construcción, cuerpo de agua, ferrocarril y configuración de pilares de carbón de carreteras principales. y Minería a Presión de Carbón40. La fórmula se obtiene mediante el análisis estadístico de un gran número de resultados medidos. La litología de sobrecarga se clasifica como "rigidez", "media dura" o "blanda". Para el tipo "extremadamente blando", se utilizan diferentes fórmulas para calcular la altura de la zona de fractura por conducción de agua de la roca de cobertura.

Una gran cantidad de estudios previos han demostrado que después de que se extrae la veta de carbón, el movimiento de los estratos suprayacentes es un movimiento de flexión y hundimiento con el grupo de estratos de roca como una unidad. Cada grupo de estrato está impulsado por una capa de roca dura en el fondo para coordinar el movimiento de las capas superiores de roca débil. La combinación de movimiento del estrato rocoso está determinada por los factores de resistencia (incluyendo litología, espesor y módulo elástico) de cada estrato rocoso. El estrato rocoso superior con factores de resistencia bajos se moverá simultáneamente con el estrato rocoso inferior con factores de resistencia altos, y la curvatura de hundimiento es la misma. Cuando un cierto estrato de roca dura tiene un gran hundimiento, lo que conduce a la formación de suficientes grietas en la superficie del estrato de roca para conducir agua, el estrato de roca blanda superior controlado por él tiene el mismo hundimiento que el estrato de roca, y su anti-deformación La capacidad es menor que el estrato de roca dura inferior, por lo que sus fracturas desarrolladas también alcanzan el grado de penetración, por lo que el grupo de estrato de roca se clasificará en la categoría de zona fracturada conductora de agua al mismo tiempo. Por analogía, cuando el hundimiento de un estrato de roca dura no es suficiente para formar suficientes fracturas conductoras de agua, la zona de fractura conductora de agua está muy desarrollada hasta esta capa de estrato rocoso. En este momento, el grupo de estrato de roca por encima de esta capa pertenece a la zona de flexión. Por lo tanto, se puede ver que la zona de fractura por conducción de agua de los estratos suprayacentes del frente de trabajo se desarrolla gradualmente hacia arriba en forma de escalera con el grupo de estrato de roca como unidad, y el desarrollo de la fractura de cada grupo de estrato está controlado por el movimiento de la formación rocosa inferior. Esta comprensión es diferente del concepto tradicional de la formación de una zona de fractura conductora de agua. Para dos estratos adyacentes, ya sea que se muevan juntos para formar un grupo de estrato o por separado, la curvatura máxima ρmax del asentamiento del estrato se puede usar para juzgar41.

Cuando , los dos estratos se combinan en un movimiento de estrato.

Cuando , los dos estratos se mueven por separado para formar dos grupos de estratos.

La curvatura máxima de flexión de una viga oscilante se puede expresar como:

donde: α son coeficientes determinados por las condiciones de soporte de la viga de roca; L: límite de luz de la viga de roca; E—Módulo elástico de la viga de roca; m-espesor del estrato.

El frente de trabajo 1314 estaba adyacente al frente de trabajo 1318, y las condiciones de extracción del frente de trabajo 1314 son las mismas que las del frente de trabajo 1318. El método de medición de campo de la cara de trabajo adyacente se utilizó para detectar la cara de trabajo 1314 en el lugar, y la altura de desarrollo de la zona de fractura de la cara de trabajo 1318 se obtuvo a través del análisis. El principio de medición de campo y el diseño del esquema son los siguientes.

La forma de desarrollo de una zona de fractura conductora de agua en los estratos suprayacentes después de la extracción del frente de trabajo 1318 se detecta y analiza utilizando el método de observación de inyección de agua de la fuga del pozo subterráneo inclinado. El principio de este método de observación es disponer un campo de perforación en una posición determinada alrededor del frente de minería subterránea, perforar un pozo inclinado desde el campo de perforación hasta la zona de fractura conductora de agua sobrecargada por encima del frente de trabajo y utilizar el pozo subterráneo. instrumento de observación de altura de guía para observar la altura de guía, como se muestra en la Fig. 7. El equipo de observación se utiliza para realizar observaciones de inyección de agua segmentada en el pozo de abajo hacia arriba. De acuerdo con la regla de cambio de la fuga de inyección de agua en diferentes áreas del pozo, la altura de desarrollo, la forma del límite espacial y otras características de la zona de fractura de la roca de cobertura se pueden analizar y determinar con mayor claridad y precisión.

Diagrama de observación de altura de una zona de fractura conductora de agua en el pozo subterráneo.

El instrumento de observación de la altura de la guía de fondo de pozo está dispuesto como se muestra en la Fig. 8 y la Fig. 9. El dispositivo de cierre de agua de dos extremos está compuesto por dos cápsulas de expansión y sondas de inyección de agua. Hay dos tuberías de conexión, la tubería de expansión y la tubería de inyección de agua. La consola es la consola de expansión y la consola de inyección de agua. La consola de expansión, la tubería de expansión y las dos cápsulas del cierre de agua de doble extremo están conectadas para formar un sistema de control de presión de expansión y contracción de cápsula. La consola de inyección de agua, la tubería de inyección de agua y la tubería de sonda de inyección de agua del dispositivo de cierre de agua de doble extremo están conectados para formar un sistema de observación de inyección de agua para observar la conductividad del agua del estrato de roca.

Diagrama esquemático de prueba del instrumento de observación de elevación para el pozo inclinado.

Diagrama de estructura del dispositivo de cierre de agua de doble extremo.

De acuerdo con el principio de observación de la zona de fractura conductora de agua y las condiciones de diseño de la calzada alrededor del frente de trabajo 1314, la posición del campo de perforación de observación en la zona fracturada conductora de agua se muestra en la Fig. 10. La posición de observación de el pozo de observación de la altura piloto se colocó cerca de la intersección de las vías cerradas y de contacto de la ranura de la pista de la cara de trabajo. La distancia en línea recta entre el sitio de perforación y la línea de parada del frente de trabajo fue de aproximadamente 38,8 m. Se diseñaron un total de dos pozos de observación de altura, pozo 1 y pozo 2. El acimut del pozo de observación 1 se desplazó hacia la izquierda a lo largo de la ranura de la pista en 12°, que estaba básicamente en la dirección vertical con la línea de parada de la cara de trabajo. El pozo 2 continuó desplazándose 15° hacia la izquierda a lo largo del pozo 1. Se utilizó para observar el desarrollo de la zona de fractura de la roca suprayacente en la dirección del frente de trabajo.

Diagrama del plan de diseño del pozo de observación.

El diseño de parámetros del pozo de observación es la clave para la detección de campo. Los parámetros de diseño incluyen principalmente el ángulo de buzamiento y la longitud del pozo. De acuerdo con los requisitos de diseño de los pozos de observación, la observación de la altura de la zona de fractura por conducción de agua en los estratos suprayacentes requirió dos pozos de observación en la sección de observación. Los pozos se construyeron desde la vecindad de la intersección de los carriles cerrados y de contacto de la ranura de la vía 1314 hasta la línea de parada del frente de trabajo 1314. Los elementos de cada pozo se muestran en la Tabla 3. El perfil de disposición del pozo para la observación de altura guiada se muestra en la Fig. 11.

Perfil de disposición del pozo de observación de altura.

De acuerdo con los resultados de detección del método electromagnético transitorio, la Fig. 12 muestra el mapa de anomalías de capas de lecho de resistividad aparente a dos profundidades de 45 m y 60 m desde el techo de la cara de trabajo. En el diagrama, se puede ver que 45 m por encima del techo de Coal Seam 3: en el pilote ranurado número 1090 ~ 1140 m extendido hasta el frente de trabajo 60 m, el pilote ranurado número 1250 ~ 1290 m extendido hasta el frente de trabajo cara 50 m, y el pilote ranurado número 1320 ~ 1350 m extendido hasta la cara de trabajo 20 m. La resistividad aparente en el área anormal era inferior a 4 Ω·my el contenido de agua del acuífero era relativamente fuerte. 60 m por encima del techo de la veta de carbón 3: el pilote de ranura de la pista número 1100 ~ 11,150 m extendido a la cara de trabajo 70 m, y el pilote de ranura de cinturón número 1200 ~ 11,240 m extendido a la cara de trabajo 70 m. La resistividad aparente en el área anormal era inferior a 4 Ω·my el contenido de agua del acuífero era relativamente fuerte.

El 1318 Diagrama de rebanadas de ropa de cama de resistividad aparente del acuífero del techo de la cara de trabajo y mapa de distribución de agua rica.

En combinación con los resultados de la exploración electromagnética transitoria, los resultados de la exploración del lecho rocoso y el riego del techo durante la excavación de la carretera, se verificaron algunas áreas anormales. Se dibujaron dos áreas anormales sobre el techo en la cara de trabajo, como se muestra en la Fig. 13. Entre ellas, el rango vertical del área anormal 1 es de 45 a 60 m desde el techo, con un área de 3334 m2; el rango vertical del área anormal 2 es de 30 a 60 m desde el techo, con un área de 2520 m2.

Área anormal del techo de la cara de trabajo.

De acuerdo con el análisis de los resultados del método eléctrico de alta densidad, la Fig. 14 muestra el método eléctrico de alta densidad del método de exploración geofísica para detectar el mapa de anomalías tridimensionales de corte de ropa de cama de resistividad de 30 m y 40 m del techo de la cara de trabajo. Al comparar la capa de lecho de 30 m por encima del techo con la capa de lecho de 40 m por encima del techo, se puede ver que la resistividad de la capa de lecho de 30 m por encima del techo fue la más baja, la resistividad del área anormal fue inferior a 2 Ω ·m, y el contenido de agua del acuífero era relativamente fuerte.

Datos tridimensionales de corte de ropa de cama de la resistividad del techo de la cara de trabajo 1318.

En combinación con las características de distribución estructural y las condiciones hidrogeológicas del frente de trabajo y los resultados de la exploración avanzada y el drenaje en el proceso de excavación de la carretera, se infiere y explica la condición rica en agua del acuífero de arenisca en el techo del frente de trabajo (ver Figura 15). Se explicó un total de 1 área anormal en toda el área, con un área total de aproximadamente 3306 m2.

Distribución rica en agua del acuífero de arenisca del techo en la cara de trabajo 1318.

Con base en los resultados de exploración geofísica anteriores, se encontraron dos áreas anormales en toda el área. El rango vertical del área anormal 1 fue de 45 a 60 m desde el techo, con un área de 3334 m2. El rango vertical del área anormal 2 fue de 30 a 60 m desde el techo, con un área de aproximadamente 2913 m2. La condición de agua del acuífero del techo de la veta de carbón en la Cara de Trabajo 1318 se aclaró durante este estudio, y la propiedad de agua del acuífero del techo era relativamente débil.

En combinación con los resultados de perforación, se dibujaron algunas secciones columnares de pozos de perforación (TC1-1, TC2-1) a través de un análisis exhaustivo. De acuerdo con el análisis de la Fig. 16, se concluyó que los tipos de lecho rocoso en el rango del frente de trabajo 1318 son principalmente arenisca media, arenisca fina, limolita, arenisca gruesa, arenisca mediana con grava y arenisca gruesa con grava, principalmente arenisca mediana. El espesor acumulado de la arenisca mediana representó aproximadamente el 89% del espesor del lecho rocoso detectado. Excepto por el hecho de que el espesor de la arenisca fina en el techo directo de la veta de carbón era de 4,65 m, el espesor promedio de los otros tipos de estratos rocosos era relativamente pequeño, aproximadamente 1 m, lo que puede considerarse como la capa intermedia de arenisca mediana. .

Histograma de pozo típico.

De acuerdo con los datos de perforación, el estereograma del espesor del lecho rocoso se dibujó después del análisis, como se muestra en la Fig. 17. El espesor del lecho rocoso en el rango de la cara de trabajo 1318 aumenta gradualmente de suroeste a noreste. La parte más delgada estaba ubicada en la intersección de la línea de parada y el surco de la vía, y el espesor era de aproximadamente 60 m. La parte más gruesa estaba ubicada en la intersección del corte y la ranura del cinturón, y el espesor era de aproximadamente 180 m. El espesor del lecho rocoso en el rango de minería de todo el frente de trabajo de 1318 fue superior a los 55 m requeridos por la especificación de minería de seguridad.

Estereograma del espesor del lecho rocoso.

Según el análisis de la estructura de la roca circundante y las características mecánicas del frente de trabajo 1318 en la mina de carbón Xiaoyun, los estratos suprayacentes de la veta de carbón 3 eran principalmente limolita y arenisca medianamente fina, y la resistencia a la compresión uniaxial de la roca estaba por encima de los 50 MPa. El análisis integral general mostró que los estratos suprayacentes del frente de trabajo pertenecían a la categoría de estrato de roca de dureza media. Usando la fórmula empírica correspondiente a la sección "Predicción de la fórmula empírica", tomando el espesor máximo de minado del frente de trabajo Coal Seam 3 1318 como M = 3,3 m, los resultados del cálculo de la altura de desarrollo de la zona de caída y la fractura conductora de agua zona después de la minería de la cara de trabajo se muestran en la Tabla 4.

De acuerdo con el análisis de las características del movimiento del estrato rocoso, se determinó la estructura compuesta de los estratos suprayacentes de la veta de carbón 3 en el lado de la ranura de la vía del frente de trabajo 1318 en la mina de carbón Xiaoyun. Con base en la fórmula de predicción teórica correspondiente a la Sección "Método de predicción teórica basado en el grupo de estrato rocoso", el cálculo y el análisis se realizaron uno por uno. El rango de lecho rocoso suprayacente de la cara de trabajo 1318 se puede dividir en cinco grupos de estratos con combinaciones alternas de dureza y dureza. Como se muestra en la Tabla 5. El espesor total del estrato rocoso Grupo I fue de 4,1 m, que cubría directamente la veta de carbón 3 del frente de trabajo y pertenece a la categoría de techo directo de la veta de carbón 3. Después de que se extrajo la veta de carbón del frente de trabajo , el grupo de estrato rocoso colapsó gradualmente con el aumento gradual del espacio minero y se acumuló en el goaf. El espesor total del grupo de estratos II fue de 22,42 m. Debido a su gran espesor total y alta resistencia, la fractura por flexión impulsaría a las tres masas de roca de carbón superpuestas en el grupo de estratos a moverse al mismo tiempo, formando una estructura de roca de techo antigua compuesta. La ley característica de movimiento y falla del grupo de estrato de roca se muestra en la Fig. 18.

Cubra la combinación de rocas y las características de las fracturas.

De acuerdo con el análisis de las características estructurales de la roca de cobertura en la mina de carbón Xiaoyun, debido a que la roca de cobertura del frente de trabajo Coal Seam 3 1318 era en su mayoría una estructura de roca compuesta, el movimiento dinámico del estrato de roca mostraría una descoordinación obvia. De acuerdo con la teoría clásica de la presión de las rocas y el cálculo y análisis del movimiento mecánico de vigas de roca, los estratos suprayacentes se clasificaron por combinación de estratos. Después de que se extrajo la veta de carbón del frente de trabajo, la forma de movimiento de los estratos suprayacentes debe ser el movimiento de hundimiento de flexión con el grupo de estrato de roca como unidad. Cada grupo de estrato estaba controlado por la capa de soporte con un gran espesor y alta resistencia en la parte inferior, que impulsaba el movimiento sincrónico y coordinado de las capas superiores de roca débil, y la curvatura de hundimiento era la misma. Cuando la capa de soporte más baja se doblaba y se rompía, los estratos de roca blanda suprayacentes se movían y se rompían al mismo tiempo.

Se han obtenido datos de observación confiables de los dos pozos del frente de trabajo 1314. De acuerdo con los datos de estos dos pozos, se puede determinar con precisión la altura de desarrollo y la forma de la zona de fractura conductora de agua suprayacente del frente de trabajo.

De acuerdo con los datos de observación de campo, el diagrama de permeabilidad de cada sección del estrato de roca en el pozo #1 se dibuja como se muestra en la Fig. 19. La fuga de inyección de agua en cada sección del pozo tenía características de segmentación obvias y había una gran diferencia en la fuga de inyección de agua en cada sección, lo que indica que todo el pozo pasa por diferentes secciones de desarrollo de fracturas de roca, lo que también verificó la racionalidad del diseño del pozo. De acuerdo con la secuencia de observación de abajo hacia arriba en el pozo, la fuga de inyección de agua de cada sección del estrato rocoso en el pozo se resumió y analizó de la siguiente manera: en el área del pozo de la Sección I, la longitud inclinada del pozo fue de 77,7 ~ 59,7 m, la altura vertical fue de 49,9 ~ 38,4 m, la filtración de agua del estrato rocoso fue de 0 ~ 7,6 L/min, la permeabilidad de toda la sección del estrato rocoso fue inferior a 10 L/min, y la permeabilidad de el estrato rocoso era pequeño, lo que indica que la segunda abertura en el estrato rocoso no estaba desarrollada, y el estrato rocoso era principalmente la abertura principal. Debido a que la permeabilidad del estrato rocoso era pequeña, el pozo en esta área estaba fuera del rango de desarrollo de la zona de fractura conductora de agua y el pozo aún no había ingresado al área de la zona de fractura. En el área del pozo de la sección II, la longitud inclinada del pozo fue de 59,7 m ~ 23,7 m, la altura vertical fue de 38,4 m ~ 15,2 m y el volumen de filtración de agua del estrato rocoso aumentó considerablemente a 12,0 ~ 27,3. El volumen de filtración de agua del estrato rocoso era grande, lo que indica que el pozo había penetrado en la zona de fractura en ese momento. En esta zona, el estrato rocoso se vio muy afectado por la minería. La abertura secundaria producida por el hundimiento y la flexión del estrato rocoso estaba relativamente desarrollada y la conectividad entre las aberturas era buena. Por lo tanto, la fuga de inyección de agua del pozo fue grande y la conductividad total del agua del estrato de roca fue fuerte. En el área del pozo de la sección III, la longitud inclinada del pozo fue de 23,7 m ~ 11,6 m, la altura vertical fue de 15,2 m ~ 7,5 m, la filtración de agua del estrato rocoso fue de 1,2 ~ 6,5 L/min, la permeabilidad del toda la sección del estrato rocoso era inferior a 10 L/min, y la permeabilidad del estrato rocoso era pequeña, lo que indica que la segunda abertura en el estrato rocoso no estaba desarrollada, y el estrato rocoso era principalmente la abertura principal. Debido a que la permeabilidad del estrato de roca era pequeña, la altura de desarrollo de la zona de fractura no se vio afectada aquí, y estaba básicamente en la categoría de una zona de subsidencia por flexión.

Resultados de la observación del pozo.

De acuerdo con el punto de inflexión del cambio en la fuga de inyección de agua del estrato de roca en el área de perforación de tres secciones, la altura de desarrollo de la zona de fractura conductora de agua obtenida del pozo de observación #1 fue de aproximadamente 38,4 m. De igual forma, se puede concluir que la altura de desarrollo de la zona de fractura hidroconductora obtenida del pozo de observación #2 fue de aproximadamente 39.5 m.

Con base en el análisis anterior, se resumieron los resultados de observación de la sección de observación de perforación: hoyo #1: H (1) = 38,4 m, hoyo #2: H (2) = 39,5 m. Los resultados de observación de los dos pozos fueron relativamente cercanos. Para garantizar un alto factor de seguridad, se tomó como resultado final el valor máximo. Por lo tanto, de acuerdo con los datos medidos en el campo, finalmente se determinó que el resultado medido en el campo de la altura de desarrollo de la zona de fractura conductora de agua en el frente de trabajo 1314 de la mina de carbón Xiaoyun fue de 39,5 m.

Sobre la base de la investigación y el análisis del espesor de extracción de la veta de carbón en el frente de trabajo cerca del lugar de observación, el espesor de extracción se tomó como 3,5 m, por lo que el parámetro T de relación de extracción de grietas del frente de trabajo 1314 de la mina de carbón Xiaoyun puede ser obtenido: T = 39,5/3,5 = 11,29.

Al mismo tiempo, según los puntos de datos de observación, la forma de la zona de fractura conductora de agua suprayacente en la cara de trabajo 1314 de la mina de carbón Xiaoyun se muestra como una distribución relativamente regular en forma de silla de montar. Debido a las diferencias en el diseño del ángulo de buzamiento y el ángulo azimutal, los pozos 1 # y 2 # pasan a través de las áreas suaves y pico en la parte superior de la zona de fractura "en forma de silla de montar", respectivamente. Los resultados de la observación de 2 # pozos son los más grandes, lo que demuestra que pasan precisamente por el área de altura máxima del desarrollo de la zona de fractura. La morfología de la zona de fractura trazada por el sitio de perforación tiene una similitud muy alta, como se muestra en la Fig. 20.

Curva de ajuste de la morfología de desarrollo de la zona de fractura por sobrecarga en la cara de trabajo 1314.

De acuerdo con la relación de minería de grietas de la cara de trabajo 1314 después de la minería, la altura medida de la zona de fractura conductora de agua medida en la cara de trabajo 1318 fue de 31,61 m, y la relación de espesor de minería guía de altura correspondiente fue de 11,29 m. Basado en la morfología de desarrollo de la zona de fractura por conducción de agua en el frente de trabajo 1314, se analiza analógicamente que bajo las mismas condiciones geológicas, la morfología de desarrollo de la zona de fractura por conducción de agua en el frente de trabajo 1318 presenta una forma de "silla de montar".

De acuerdo con la fórmula empírica de las Regulaciones sobre Construcción, Cuerpo de Agua, Ferrocarriles y Carreteras Principales, Configuración de Pilares de Carbón y Minería a Presión de Carbón, el método de predicción teórico basado en el cálculo del grupo de estrato rocoso y la medición de campo, los valores predichos de la zona de fractura conductora de agua se obtuvieron, como se muestra en la Tabla 6. Mediante el análisis comparativo de los tres métodos, por seguridad, la altura máxima de la zona de fractura conductora de agua fue de 42,64 m, y la relación altura-espesor de minado correspondiente fue de 12,92.

De acuerdo con el análisis de resultados del método de prospección geofísica, el alcance vertical de la zona de anomalía 1 fue de 45 a 60 m desde el techo, con un área de 3334 m2; el rango vertical del área anormal 2 fue de 30 a 60 m desde el techo, con un área de aproximadamente 2913 m2. De acuerdo con el análisis de los datos de perforación, se concluyó que el lecho rocoso más delgado en el rango del frente de trabajo 1318 estaba ubicado en la intersección de la línea de parada y el surco de la vía, con un espesor de aproximadamente 60 m. Las áreas anormales anteriores eran todas áreas peligrosas de esta minería. Con la minería del frente de trabajo de 1318, la longitud del frente de trabajo se acortó gradualmente. De acuerdo con la ley de distribución del espesor del lecho rocoso, como se muestra en la Fig. 21, se realizó la predicción de la zona de fractura por conducción de agua de la cara de trabajo con diferentes longitudes de cara de trabajo. Con el avance del frente de trabajo, el rango de la zona de fractura por conducción de agua se fue reduciendo continuamente.

Predicción de la zona de fractura por conducción de agua del frente de trabajo.

El modelo de mecánica de la estructura del estrato del pilar de carbón (roca) de prevención de agua de seguridad se muestra en la Fig. 22, en el que la altura de la zona fracturada conductora de agua es Hd, el espesor de la capa protectora es Hb y la altura vertical de el pilar de carbón (roca) de prevención de agua de seguridad es Hf. A través de la exploración del lecho rocoso, se determinó que la capa de arcilla inferior del Cuaternario era mayor que la altura máxima de explotación del frente de trabajo de 1318, y el lecho rocoso era básicamente arenisca media, que pertenece a la roca de dureza media. Por lo tanto, como se muestra en la Tabla 7, el espesor de la capa protectora Hb que se tomó para la minería bajo el sistema Cuaternario de este frente de trabajo fue de 3A, el cual fue de 3 × 3.3 = 9.9 m. A través de un cálculo exhaustivo, se concluyó que el pilar de carbón (roca) de prevención de agua de seguridad Hf debajo del aluvión cuaternario de la cara de trabajo era la suma de la altura de la zona de fractura conductora de agua Hd y el espesor de la capa protectora Hb, que fue 42,64 + 9,9 = 52,6 m. El pilar de carbón (roca) de prevención de agua de seguridad diseñado en la sección de seguridad de la mina fue de 55 m, y el pilar de carbón (roca) de prevención de agua de seguridad que quedó en el rango de minería real fue mayor a 60 m. Por lo tanto, la extracción del frente de trabajo 1318 no se verá afectada por el agua de la capa de impacto del Cuaternario.

Modelo mecánico de estructura de estrato de pilar de carbón (roca) de prevención de agua.

Bajo la compleja estructura del lecho rocoso, la minería segura del frente de trabajo irregular se vio afectada por muchos factores, como el alcance del área rica en agua, el espesor y la estructura de la roca de cobertura y la altura de desarrollo de la fractura conductora de agua. zona. El estudio de la influencia de los factores anteriores en la minería segura bajo el acuífero del frente de trabajo desempeñó un importante papel de guía en el análisis de viabilidad de la minería segura bajo el frente de trabajo de un acuífero de lecho rocoso complejo.

El alcance del área rica en agua se determinó mediante el método de exploración geofísica, y el rango vertical del área anormal 1 fue de 45 a 60 m desde el techo, con un área de 3334 m2. El rango vertical del área anormal 2 fue de aproximadamente 2913 m desde el techo, con un área de aproximadamente 2913 m2. Proporciona una base científica y soporte de datos para juzgar con precisión la minería segura bajo un acuífero con una cara de trabajo de lecho rocoso complejo.

El espesor y la estructura de la roca de cobertura se determinaron por el método de perforación. A través del análisis de los datos de perforación, se concluyó que la parte más delgada de la cara de trabajo 1318 estaba ubicada en la intersección de la línea de parada y la ranura de la correa, con un espesor de aproximadamente 60 m, y la parte más gruesa estaba ubicada en la intersección de la corte y ranura de la correa, con un espesor aproximado de 180 m. El lecho rocoso en el rango de la cara de trabajo de 1318 era bajo en el suroeste y alto en el noreste.

De acuerdo con los tres métodos de la fórmula empírica, la predicción de la teoría del grupo de estrato de roca y el análisis de analogía de detección de campo de la cara de trabajo adyacente, la altura máxima de desarrollo de la zona de fractura después de la extracción de la cara de trabajo fue de 42,64 m.

Con base en el análisis comparativo de los resultados del alcance del área rica en agua, el espesor y la estructura de la roca de cobertura y la altura de desarrollo de la zona fracturada conductora de agua, se determinó el área anormal peligrosa para la minería y el tamaño del pilar de carbón (roca) de prevención de agua era de 52,6 m, que era más pequeño que el pilar de carbón (roca) de prevención de agua de seguridad que quedó en el área minera.

Desde la perspectiva de la prevención de la seguridad del agua, el frente de trabajo tiene las condiciones para una minería segura bajo la premisa de un buen monitoreo minero y medidas de emergencia durante el proceso minero. La conclusión de la investigación proporciona una importante orientación de seguridad para la extracción de minas similares.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo publicado.

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Este estudio fue apoyado por el Fondo Abierto del Laboratorio Estatal Clave de Minería Eficiente y Utilización Limpia de Recursos de Carbón (Nos.2021-KFYB-020); la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Nos.51774195); Taishan Scholar Engineering Construction Fund de la provincia de Shandong (No.tsqn201812071).

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Wanpeng Huang y Chengguo Zhang

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WH construyó el marco general del artículo, proporcionó los datos del artículo, llevó a cabo la simulación por computadora y el experimento de campo del artículo, aprobó la versión final y desempeñó un papel clave en la redacción del artículo completo; SL redactó y revisó el manuscrito, hizo dibujos, procesó los datos y aceptó ser responsable de todos los aspectos del trabajo para garantizar que los problemas relacionados con la precisión o integridad de cualquier parte del trabajo se investigaran y resolvieran adecuadamente. Desempeña un papel importante en la interpretación de los resultados; YW llevó a cabo un seguimiento in situ y proporcionó datos precisos. CZ revisó el manuscrito y desempeñó un papel clave en la redacción del resumen. DJ llevó a cabo la simulación FLAC 3D. XC llevó a cabo un seguimiento in situ y proporcionó datos precisos. ZY llevó a cabo un seguimiento in situ y proporcionó datos precisos.

Correspondencia a Chengguo Zhang.

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Huang, W., Sui, L., Wang, Y. et al. Estudio de las interacciones entre minería y acuíferos en condiciones geológicas complejas y su manejo. Informe científico 13, 9462 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34947-6

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Recibido: 15 enero 2023

Aceptado: 10 de mayo de 2023

Publicado: 10 junio 2023

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

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