Dongsheng Zhang

Mechanism of mining-induced slope movement for gullies overlaying shallow coal seams

This paper provides an improved understanding of the movement mechanisms of both bed-rock gully and sandy soil gully when underground mining occurs underneath, followed by systematic analysis of the contributing factors such as mining advance direction, gully slope angle, gully erosion coefficient and mining height. This paper presents the results from monitoring, theoretical analyses and up to date modeling based on the geological features in the gully affected area, and the implications of these results to the success of roof support trial. It was observed that when mining occurred towards the gully, sliding of slope block along the fracture surface occurred, which resulted in unstable roof condition; when mining progressed away from the gully, polygon blocks developed in the gully slope and rotated in reversed direction forming hinged structure; within the bed-rock slope, the hinged structure was unstable due to shear failure of the polygon block; however, within the sandy soil slope, the structure was relatively stable due to the gradual rotating and subsiding of the polygon block. The increase of the value of slope angle and mining height lead to a faster and more intensive fracture development within the gully slope, which had a pronounced effect on gully slope stability and underground pressure. Various remediation approaches are hence proposed in this paper including introducing more powerful support and reasonable mining height, setting up working face along or away from gullies, using room and pillar, strip mining and backfill instead of longwall mining.

Analysis of Mathematical Model for Migration Law of Radon in Underground Multilayer Strata

This paper summarized the separation process of radon based on its geophysical-chemical properties. Taking into account the geological conditions of mining, the mathematical model of radon migration in underground multilayer strata (UMS) was established to investigate the distribution law of radon concentration in UMS. It was found that the distribution of radon concentration in UMS is affected by both the properties of the strata and the depth of cover and the radon concentration law varies at different depths even in the same layer stratum. At last, in order to validate the derivation result of the mathematical model of radon migration in UMS, the actual measured values (AMV) and the calculated values (CV) were compared further. As a result, the CV was found to be approximately equal to the AMV with deviation values (DV) less than 5%, which indicates that the derivation result of the mathematical model of radon migration in UMS is correct.

Surface subsidence control during bag filling mining of super high-water content material in the Handan mining area

This paper focuses on the analysis of the overburden strata control mechanisms in stopes utilising bag filling mining super high-water content material. The factors affecting the mining-induced surface subsidence were determined, and control methods were applied to improve the filling rates of the working faces. The effects of filling rate changes on overburden failure and surface subsidence were investigated quantitatively using the field data. The results indicate that high filling rates and small changes could improve surface subsidence control. When the filling rate exceeded 86%, a 1% increase in the filling rate could decrease the average surface subsidence speed and distance by 5% and 7%, respectively. According to the current geological conditions of the Handan mining area, surface subsidence was observed as 260 mm at a 92% filling rate. Thus, these surface movements and damage indicators could be used to meet the requirements of I-level building codes and adequately control surface subsidence. [Received: July 28, 2015; Accepted: January 14, 2016]

Physical simulation research on evolution laws of clay aquifuge stability during slice mining

The aquifuge stability is the key to study the impacts of coal mining on the aquifer. Based on the geological conditions of a mine in Yili of Xinjiang, China, this paper has studied the stability evolution laws of clay aquifuge during extremely thick coal seam mining by similar material simulation experiment in the laboratory. For the water-swelling and expansion property of clay aquifuge, the reasonable proportion of the similar material is firstly determined by taking the uniaxial compressive strength and the permeability coefficient as core indexes. Then, the overlying strata movement coupled solid–liquid physical model is established. In addition, the aquifuge deformation, the water level changes of the aquifer, and the height of fracture zone in overburden are analyzed during the slice mining. The research results indicate that the clay aquifuge will gradually occur instability failure during the mining of the working face, and the aquifuge stability has the threshold effects. When the ratio of the vertical displacement of the aquifuge to the thickness is Dv/T ≤ 58.0%, the ratio of the horizontal displacement to the thickness is Dh/T ≤ 17.0%, and the height of fractured zone in overburden is below the aquifuge, the mining-induced fractures may be closed and the aquifuge stability could be maintained. If Dv/T ≥ 75.0%, Dh/T ≥ 23.9%, and the height of fractured zone in overburden is within the aquifuge, the fractures will develop and connect the aquifuge and the stability failure of the aquifuge will occur, which has a direct correlation with the mining height.

Influence of Stress and Water Pressure on the Permeability of Fissured Sandstone Under Hydromechanical Coupling

We investigated the permeability of fissured sandstone in the Lao Sangou coal mine to understand how to reduce water seepage through the mine roof and to provide a scientific basis for how the permeability changes. First, the physical and mechanical parameters of the sandstone samples were measured in laboratory tests. The discrete element method was used to establish a corresponding model, which was calibrated using uniaxial compression tests. Then, five calculation models were established and used to analyse the permeability of fissured sandstone at varied axial pressures, confining pressures, and water pressures under hydromechanical coupling. A further triaxial seepage experiment was carried out to test the permeability of the fissured sandstone samples. The results indicated that a horizontal hydraulic aperture was more sensitive to axial stress than a vertical hydraulic aperture, and that a vertical hydraulic aperture was more sensitive to confining stress than a horizontal hydraulic aperture, suggesting that confining stress affects permeability more than axial stress. Changes in permeability occur in three stages, i.e. slowly declining, sharply declining, and steady state, reacting to water pressure and stress. There is a cubic polynomial relationship between both the average flow rate and the average hydraulic aperture and stress, with R2 ≥ 0.95. After the permeability traverses the slowly declining stage, an exponential relationship exists between both the average flow rate and the average hydraulic aperture and stress, with R2 ≥ 0.97. A series of numerical calculation models were used to suggest a partition scheme, in which water pressure plays a leading role in zone I, the stress and water pressure work together in zone II, and stress plays a dominant role in zone III.ZusammenfassungUntersucht wurde die Durchlässigkeit geklüfteten Sandsteins in der Kohlenmine von Lao Sangou mit dem Ziel, Ansätze für die Verringerung des Wasserzutritts durch die Dachschichten zu finden sowie entsprechende Durchlässigkeitsänderungen wissenschaftlich zu beschreiben. Zunächst wurden hierzu die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Sandsteinproben unter Laborbedingungen ermittelt. Mittels Diskrete-Elemente-Methode erfolgte die Ableitung eines entsprechenden Modells, das anschließend anhand einaxialer Druckversuche kalibriert wurde. Daraufhin wurden fünf Berechnungsmodelle aufgebaut und zur Durchlässigkeitsanalyse geklüfteten Sandsteins verwendet, und zwar unter Variation von Axialdruck, Grenzdruck sowie Wasserdruck bei hydromechanischer Kopplung. Die Durchlässigkeit der geklüfteten Sandsteinproben wurde mittels Triaxialversuch bestimmt. Die Testergebnisse weisen darauf hin, dass die hydraulisch horizontal wirksame Kluftöffnungsweite stärker von der Axialspannung abhängig ist als die vertikal wirksame Öffnungsweite, während die hydraulisch vertikal wirksame Kluftöffnungsweite sensitiver auf den Grenzdruck reagiert als die hydraulisch horizontal wirksame Öffnungsweite. Daraus ergibt sich, dass die Durchlässigkeit stärker vom Grenzdruck als von der Axialspannung abhängt. Durchlässigkeitsänderungen erfolgen in Reaktion auf Wasserdruck und Spannung in drei Stufen: leicht zurückgehend, abrupt zurückgehend, stationärer Zustand. Sowohl zwischen durchschnittlicher Fließrate als auch mittlerer hydraulisch wirksamer Öffnungsweite auf der einen Seite und der Spannung auf der anderen Seite besteht eine Beziehung in Form eines kubischen Polynoms mit R2 ≥ 0.95. Nachdem die Durchlässigkeit die Stufe des leichten Rückgangs durchlaufen hat, besteht sowohl zwischen mittlerer Fließrate als auch mittlerer hydraulischer Öffnungsweite und der Spannung ein exponentieller Zusammenhang mit R2 ≥ 0.97. Auf Basis einer Anzahl numerischer Modellierungen wird ein Partitionierungsschema vorgeschlagen, dem gemäß der Wasserdruck der wesentliche Einflussfaktor in Zone I ist, in Zone II Spannung und Wasserdruck gemeinsam wirken und in Zone III die Spannung dominiert.ResumenInvestigamos la permeabilidad de la piedra arenisca fisurada en la mina de carbón de Lao Sangou para comprender cómo reducir la filtración de agua a través del techo de la mina y proporcionar una base científica sobre cómo cambia la permeabilidad. Primero, los parámetros físicos y mecánicos de las muestras de arenisca se midieron en pruebas de laboratorio. El método del elemento discreto se utilizó para establecer un modelo que se calibró utilizando pruebas de compresión uniaxial. Luego, se establecieron cinco modelos de cálculo y se usaron para analizar la permeabilidad de la arenisca fisurada a presiones axiales variadas, presiones de confinamiento y presiones de agua bajo acoplamiento hidromecánico. Se llevó a cabo otro experimento de filtración triaxial para probar la permeabilidad de las muestras de arenisca fisurada. Los resultados indicaron que una abertura hidráulica horizontal era más sensible a la tensión axial que una apertura hidráulica vertical, y que una abertura hidráulica vertical era más sensible al estrés de confinamiento que una abertura hidráulica horizontal, lo que sugiere que el estrés confinamiento afecta la permeabilidad más que el esfuerzo axial. Los cambios en la permeabilidad ocurren en tres etapas: declive lento, declive brusco y estado estable, que reaccionan a la presión del agua y al estrés. Existe una relación polinómica cúbica entre la tasa de flujo promedio y la abertura hidráulica promedio y el estrés, con R2 ≥ 0,95. Después de que la permeabilidad atraviesa la etapa de disminución lenta, existe una relación exponencial entre la tasa de flujo promedio y la abertura hidráulica promedio y el estrés, con R2 ≥ 0,97. Se utilizó una serie de modelos numéricos para sugerir un esquema de partición, en el que la presión del agua desempeña un papel principal en la zona I, el estrés y la presión del agua trabajan juntos en la zona II y el estrés desempeña un papel dominante en la zona III.抽象摘要:为提高顶板阻隔含水层水渗流的能力,对指导砂岩的阻水抗渗特性提供科学的依据,我们研究老三沟煤矿裂隙砂岩的渗透特性。首先,通过对老三沟煤矿砂岩样进行现场采取和室内试验分析获取岩样的物理力学参数,应用离散元数值模拟软件建立对应模型与室内单轴压缩试验数据进行拟合;然后5个数值计算模型被建立去分析在水力耦合作用下不同轴压、不同围压和不同水压作用下的裂隙砂岩渗透特性,进一步的三轴渗流实验被执行去测试裂隙砂岩的渗透特性,研究结果表明:水平水力开度对轴向应力有较高的敏感性,竖直方向的水力开度对轴向应力的敏感性较差;竖直水力开度对围压有较高的敏感性,水平方向的水力开度对围压的敏感性较差.想比较轴压而言,围压对渗透率有更显著的影响. 渗透率的变化分三个阶段,即缓慢下降、急剧下降和稳定状态,对水压和应力作出反应,平均流量和水力开度与应力之间存在三次多项式的关系,相关性均在95%以上,经历缓慢下降阶段之后,平均流量和水力开度与应力的关系可用幂指数函数来描述,相关性均在97%以上。一系列的数值计算模型被建立建议一个分区,在I区域中水压起主导作用,在II区中应力和水压共同作用,在III区中应力起主导作用。关键词:煤矿开采;水渗流;离散元方法;三轴渗流实验

Assessment and Prevention of Water and Sand Inrush Associated with Coal Mining Under a Water-filled Buried Gully: A Case Study

Mining under a water-filled buried gully risks a potentially serious water and sand inrush, especially if the bedrock is thin. A case study was conducted at a Chinese coal mine, where the thin overlying overburden was covered by widely distributed gullies. Several empirical formulas and numerical modelling indicated that the overlying strata was almost totally fractured and that all of the conditions for an inrush were met. Pre-mining dewatering and grout injection were initiated. The groundwater table was lowered by 13 surface pumping wells and 33 underground upholes that were drilled around the gully. Those located at the bottom of the gully were generally better in aquifer dewatering than those located at the banks. A barrier was constructed to avoid a water inrush by injecting a chemical grout into the bottom of the buried gully through 25 surface holes. Field observations of the water table, underground water yield, and overburden movement prove the validity of the assessment methods and treatments.抽象隐伏含水沟谷下采煤尤其是在薄基岩条件下具有潜在突水和溃沙危险。以中国某煤矿为例,研究区薄覆盖层上沟谷广布。经验计算和数值模拟结果表明,上覆地层裂隙发育且具有突水危险。采用采前疏水和注浆综合防治措施。在隐伏沟谷附近施工13个地面钻孔和33个井下上仰孔疏降地下水位。沟谷底疏水孔的疏降效果比沟谷边缘疏水孔更好。通过25个地面孔向沟谷底化学注浆建立隔水屏障。野外水位、水量和覆岩移动监测证明了该方法的合理性。ZusammenfassungBei Abbau unter mit wassergesättigten Sedimenten gefüllten Erosionsrinnen kann es zu schwerwiegenden Wasser- und Sandeinbrüchen kommen, insbesondere wenn das Felshangend geringmächtig ist. In einem chinesischen Kohlenbergbau bei dem das geringmächtige Felshangend von ausgedehnten Erosionsrinnen überlagert wird, wurde eine Fallstudie durchgeführt. Einige empirische Formeln und nummerische Modellierung zeigten, dass das Hangend nahezu vollständig zerklüftet und die Bedingungen für einen Einbruch gegeben waren. Vorentwässerung und Injektionsmaßnahmen wurden veranlasst. Der Grundwasserspiegel wurde mit 13 Entwässerungsbohrungen von der Oberfläche aus und mit 33, um die Erosionsrinne herum ausgeführten untertägigen Fächerbohrungen, abgesenkt. Die Bohrungen am Fuße der Erosionsrinnen waren für die Entwässerung wirksamer als die in den Flanken. Mit 25 Bohrungen von der Tagesoberfläche aus wurde am Fuß der sedimentgefüllten Erosionsrinne mit chemischen Injektionsmitteln eine Barriere errichtet. Feldbeobachtung des Grundwasserspiegels, des untertägigen Wasserzuflusses und die Hangendbewegung belegen die Wirksamkeit der Verfahrensweise und der getroffenen Maßnahmen.ResumenLa minería debajo de un sumidero enterrado relleno de agua implica un riesgo potencial de irrupción de agua y arena, especialmente si el lecho de rocas es delgado. El estudio de un caso se realizó en una mina de carbón china donde la capa superior estaba cubierta por sumideros ampliamente distribuidos. Varias formulas empíricas y modelos numéricos indicaron que el estrato de la cobertura estaba casi totalmente fractura y que estaban dadas todas las condiciones para una irrupción. Se iniciaron los desagotes pre-minería y la inyección de lechada. El nivel del agua subterránea se descendió a través de 13 pozos de bombeo de superficie y 33 agujeros subterráneos que se perforaron alrededor del barranco. Aquellos localizados en el fondo del sumidero fueron generalmente mejores en el desagote del acuífero que aquellos localizados en las orillas. Se construyó una barrera para impedir una irrupción de agua a través de la inyección de lechada en el fondo del sumidero enterrado a través de 25 agujeros desde la superficie. Las observaciones del nivel de agua, de la extensión del agua subterránea y del movimiento de la capa probaron la validez de los métodos de relevamiento y tratamiento.