Samples composed of coal and rock show different mechanical properties of the pure coal or rock mass. For the same coal seam with different surrounding rocks, the frequency and intensity of rock burst can be significantly different in. First, a method of measuring the strain variation of coal in the coal-rock combined sample was proposed. Second, laboratory tests have been conducted to investigate the influences of rock lithologies, combined forms and coal-rock height ratios on the deformation and failure characteristics of the coal section using this method. Third, a new bursting liability index named combined coal-rock impact energy speed index (CRIES) was proposed. This index considers not only the time effect of energy, but also the influence of surrounding rocks. At last, a new approach considering the influences of roof and/or floor was proposed to evaluate the impact capability of coal seam. Results show that the strength and elastic modulus of coal section increase significantly with the coal-rock height ratio decreasing. In addition, the values of bursting liability indexes of the same coal seam vary greatly when using the new approach. This study not only provides a new approach to measuring the strain of the coal section in coal-rock combined sample, but also improves the evaluation system for evaluating the impact capability of coal.
The stability of the roof rock-coal pillar-floor rock composite structure is of great significance to coal mine safety production. The cracks existing in the composite structure seriously affect the stability of the roof rock-coal pillar-floor rock composite structure. The numerical simulation tests of rock-coal-rock composite structures with different crack characteristics were carried out to reveal the composite structures' mechanical properties and failure mechanisms. The test results show that the rock-coal-rock composite structure's peak stress and elastic modulus are directly proportional to the crack angle and inversely proportional to the crack length. The smaller the crack angle, the more branch cracks produced near the main control crack in the rock-coal-rock composite structure, and the larger the angle between the main control crack and the crack. The smaller the crack length, the larger the width of the crack zone. The impact energy index of the rock-coal-rock composite structure decreases first and then increases with the increase of crack length and increases with the increase of crack angle. The functional relationships between the different crack characteristics, peak stress, and impact energy index are determined based on the sensitivity analysis. The determination of the functional relationship can fully grasp the influence of the crack angle and the crack length on the peak stress and impact energy index of the coal-rock composite structure. The research results can provide a theoretical basis and guidance for preventing the instability and failure of the coal pillar-roof composite structure.
The constrained conditions of roof and floor for the coal pillar affect the strength of coal pillar very seriously. To analyze the influence of rock mass for the roof and floor on the stability of coal pillar comprehensively, one method based on the mechanical method for the composite rock mass was proposed. In this method, the three rock layers of roof, floor and coal pillar are taken as the bedded composite rock mass. And the influence of rock mass for the roof and floor on the elastic core of coal pillar has been analyzed. This method can obtain not only the derived stress by the cohesive constraining forces for the coal pillar, but also the derived stress for the rock mass of the roof and floor. Moreover, the effect of different mechanical parameters for the roof and floor on the stability of coal pillar have been analyzed systematically. This method can not only analyze the stability of strip coal pillar, but also analyze the stability of other mining pillars whose stress distribution is similar with that of the strip coal pillar.
The high positive correlation between plastic strain of loaded coal-rock and AE (acoustic emission) characteristic parameter was studied and proved through AE experiment during coal-rock uniaxial compression process. The results show that plastic strain in the whole process of uniaxial compression can be gained through the experiment. Moreover, coal-rock loaded process can be divided into four phases through analyzing the change of the plastic strain curve : pressure consolidation phase, apparent linear elastic phase, accelerated deformation phase, rupture and development phase, which corresponds to conventional elastic-plastic change law of loaded coal-rock. The theoretical curve of damage constitutive model is in high agreement with the experimental curve. So the damage evolution law of coal rock damage can be indicated by both acoustic emission and plastic strain. The results have great academic and realistic significance for further study of both AE signal characteristics during loaded coal-rock damaged process and the forecasting of coal-rock dynamic disasters.
For the influence of the propagation law of stress wave at the coal-rock interface during the pre-blasting of the top coal in top coal mining, the ANSYS-LS/DYNA fluid-solid coupling algorithm was used to numerical calculation and the life-death element method was used to simulate the propagation of explosion cracks. The equation of the crushing zone and the fracturing zone were derived. The results were calculated and showed that the crushing radius is 14.6 cm and the fracturing radius is 35.8 cm. With the increase of the angles between the borehole and the coal-rock interface, the vibration velocity of the coal particles and the rock particles at the interface decreases gradually, and the transmission coefficient of the stress wave from the coal mass into the rock mass decreases gradually. When the angle between the borehole and the coal-rock interface is 0°, the overall crushing degree is about 11% and up to the largest. With the increase of the distance from the charge to the coal-rock interface, the stress wave transmission coefficient and the crushing degree of the coal-rock are gradually decreased. At the distance of 50 cm, the crushing degree of the coal-rock reached the maximum of approximately 12.3%.
Du, Feng;Wang, Kai;Guo, Yangyang;Wang, Gongda;Wang, Liang;Wang, Yanhai
Geomechanics and Engineering
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제22권3호
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pp.255-264
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2020
With the ongoing development of deep mining of coal resources, some coal mine dynamic disasters have exhibited characteristics of both coal-gas outbursts and rockbursts. Therefore, research is required on the mechanism of rockburst-outburst coupling disaster. In this study, the failure characteristics of coal-rock combination structures were investigated using lab-scale physical simulation experiments. The energy criterion of the rockburst-outburst coupling disaster was obtained, and the mechanism of the disaster induced by the gas-solid coupling instability of the coal-rock combination structure was determined. The experimental results indicate that the damage of the coal-rock structure is significantly different from that of a coal body. The influence of the coal-rock structure should be considered in the study of rockburst-outburst coupling disaster. The deformation degree of the roof is controlled by the more significant main role of the gas pressure and the difference in the strength between the rock body and the coal body. The outburst holes and spall characteristics of the coal body after the failure of the coal-rock structure are strongly affected by the difference in strength between the roof and the coal body. The research results provide an in-depth understanding of the mechanism of rockburst-outburst coupling disasters in deep mining.
Jienan, Pan;Zhaoping, Meng;Quanlin, Hou;Yiwen, Ju;Guofu, Li
Geomechanics and Engineering
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제1권2호
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pp.143-154
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2009
Many factors influence occurrences of rock burst in coal mines, such as mining methods, control methods of the coal roof, lithological characteristics of the roof and floor, tectonic stress, groundwater and so on. Among those factors, lithological characteristics in the roof are the intrinsic controlling factors that affect rock burst during coal mining. Tangshan colliery is one of the coal mines that have suffered seriously from rock bursts in China. In this paper, based on the investigating the lithological characteristics of coal roofs and occurrence of rock bursts in Tangshan colliery, a numerical method is used to study the influence of roof lithological characteristics on rock burst potential. The results show that the lithological characteristics in the roof have an important impact on the distributions of stresses and elastic strain energy in coal seams and their surrounding rocks. Occurrences of rock bursts in this colliery have a close correlation with the thick-bedded, medium- to fine-grained sandstones in the roof. Such strata can easily cause severe stress concentration and accumulate enough energy to trigger rock bursts in the working face during mining operations.
Rock burst may cause serious casualties and property losses, and how to conduct effective monitoring and warning is the key to avoid this disaster. In this paper, we reviewed both the rock burst mechanism and the principle of using electromagnetic radiation (EMR) from coal rock to monitor and forewarn rock burst, and systematically studied EMR monitored data of 4 rock bursts of Qianqiu Coal Mine, Yima Coal Group, Co. Ltd. Results show that (1) Before rock burst occurrence, there is a breeding process for stress accumulation and energy concentration inside the coal rock mass subject to external stresses, which causes it to crack, emitting a large amount of EMR; when the EMR level reaches a certain intensity, which reveals that deformation and fracture inside the coal rock mass have become serious, rock burst may occur anytime and it's necessary to implement an early warning. (2) Monitored EMR indicators such as its intensity and pulses amount are well and positively correlated before rock bursts occurs, generally showing a rising trend for more than 5 continuous days either slowly or dramatically, and the disaster bursts generally occurs at the lower level within 48 h after reaching its peak intensity. (3) The rank of EMR signals sensitive to rock burst in a descending order is maximum EMR intensity > rate of change in EMR intensity > maximum amount of EMR pulses > rate of change in the amount of EMR pulses.
In order to investigate the influence of the interfacial angel on failure characteristics and mechanism of combined coal-rock mass, 35 uniaxial/biaxial compressive simulation tests with 5 different interfacial angels of combined coal-rock samples were conducted by PFC2D software. The following conclusions are drawn: (1) The compressive strength and cohesion decrease with the increase of interfacial angle, which is defined as the angle between structure plane and the exterior normal of maximum principal plane, while the changes of elastic modulus and internal friction angle are not obvious; (2) The impact energy index $K_E$ decreases with the increase of interfacial angle, and the slip failure of the interface can be predicted based on whether the number of acoustic emission (AE) hits has multiple peaks or not; (3) There are four typical failure patterns for combined coal-rock samples including I (V-shaped shear failure of coal), II (single-fracture shear failure of coal), III (shear failure of rock and coal), and IV (slip rupture of interface); and (4) A positive correlation between interfacial angle and interface effect is shown obviously, and the interfacial angle can be divided into weak-influencing scope ($0-15^{\circ}$), moderate-influencing scope ($15-45^{\circ}$), and strong-influencing scope (> $45^{\circ}$), respectively. However, the confining pressure has a certain constraint effect on the interface effect.
The damage or failure of coal rock is accompanied by energy accumulation, dissipation and release. It is crucial to study the energy evolution characteristics of coal rock for rock mechanics and mining engineering applications. In this paper, coal specimens sourced from the Xinhe mine located in the Jining mining area of China were initially subjected to uniaxial compression, and the micro-parameters of the two-dimensional particle flow code (PFC2D) model were calibrated according to the experimental test results. Then, the PFC2D model was used to subject the specimens to substantial uniaxial compression, and the energy evolution laws of coal specimens with various schemes were presented. Finally, the elastic energy storage ratio m was investigated for coal rock, which described the energy conversion in coal specimens with various arrangements of preformed holes. The arrangement of the preformed holes significantly influenced the characteristics of the crack initiation stress and energy in the prepeak stage, whereas the characteristics of the cumulative crack number, failure pattern and elastic strain energy during the loading process were similar. Additionally, the arrangement of the preformed holes altered the proportion of elastic strain energy Ue in the total energy in the prepeak stage, and the probability of rock bursts can be qualitatively predicted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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