Etude des interactions exploitation minière et aquifère en conditions géologiques complexes et sa gestion - Le lac des cygnes de Shijiazhuang Co., Ltd

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9462 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

L'interaction de l'exploitation minière et de l'eau de surface ou du système aquifère dans différentes conditions de strates de mort-terrain est l'un des aspects les plus critiques des pratiques d'exploitation minière durable, qui peut entraîner une perte d'eau ou une entrée d'eau dans les ouvertures. Cet article a examiné ce phénomène dans une condition de strates complexes via une étude de cas et a proposé une nouvelle conception d'exploitation minière pour minimiser l'impact de l'exploitation minière à longue taille sur l'aquifère superposé. Une gamme de facteurs contribuant à la perturbation potentielle de l'aquifère a été identifiée, notamment l'étendue de la zone riche en eau, les caractéristiques des unités rocheuses du mort-terrain et la hauteur de développement de la zone de fracture conductrice d'eau. Dans cette étude, la méthode électromagnétique transitoire et la méthode électrique tridimensionnelle à haute densité ont été utilisées pour identifier deux zones sujettes au danger d'irruption d'eau dans le front de taille. La plage verticale de la zone anormale riche en eau 1 est de 45 à 60 m du toit, avec une superficie de 3334 m2. La plage verticale de la zone anormale riche en eau 2 est de 30 à 60 m du toit, avec une superficie d'environ 2913 m2. La méthode de forage du substrat rocheux a été utilisée pour déterminer la partie la plus mince du substrat rocheux, d'une épaisseur d'environ 60 m, et la partie la plus épaisse, d'une épaisseur d'environ 180 m. La hauteur maximale induite par l'exploitation minière de la zone de fracture était de 42,64 m en utilisant une méthode empirique, une prédiction théorique basée sur le groupe de strates rocheuses, une surveillance sur le terrain. En résumé, la zone à haut risque a été déterminée, et l'analyse montre que la taille du pilier de prévention de l'eau était de 52,6 m, ce qui était plus petit que le pilier de prévention de l'eau potable réellement défini dans la zone minière. La conclusion de la recherche fournit des conseils de sécurité importants pour l'exploitation de mines similaires.

L'extraction de charbon sous le plan d'eau comprend l'extraction de charbon sous le plan d'eau de surface, l'extraction de charbon sous le plan d'eau de l'aquifère meuble et l'extraction de charbon sous le plan d'eau de l'aquifère rocheux1,2. Lorsque le plan d'eau est un aquifère rocheux, l'épaisseur du substratum rocheux est inégale et le toit du front de taille est recouvert d'un aquifère. Aux endroits où l'épaisseur du socle rocheux est faible, si la zone de fracture formée après l'exploitation du front de taille mène à un aquifère, il y a un risque d'arrivée d'eau catastrophique3,4,5,6.

L'exploitation minière en toute sécurité sous l'aquifère du front de taille du substrat rocheux est affectée par de nombreux facteurs, tels que l'étendue de la zone riche en eau, l'épaisseur et la structure de la roche de couverture et la hauteur de développement de la zone de fracture conductrice d'eau7,8,9,10,11,12,13. De nombreux chercheurs ont des recherches relativement matures en théorie et en application pratique. Wang et al. ont prédit la hauteur de la zone de fracture conductrice d'eau sous différentes conditions d'épaisseur minière en établissant des modèles mécaniques14,15,16. Li et al. prédit et analysé la faisabilité d'une exploitation minière sûre dans les aquifères sur la base de la théorie mécanique et déterminé les conditions critiques et les formules de prédiction pour l'apparition d'afflux d'eau et d'éclatement de sable17,18. Chen et al. ont simulé le processus expérimental d'arrivée d'eau et d'éclatement de sable à travers des matériaux similaires et ont proposé des suggestions réalisables pour une exploitation minière sûre sous les aquifères19,20. Yang Bin et al. décrit la relation non linéaire complexe entre le système d'indices sous l'aquifère et la sécurité minière à l'aide de modèles mathématiques21. En résumé, de nombreux chercheurs ont effectué de nombreuses analyses sur l'état actuel de la recherche sur les théories et les technologies liées à la maîtrise de l'eau et ont obtenu des résultats de recherche importants22,4,23,24. Les recherches ci-dessus ont joué un rôle important dans l'orientation de l'analyse de faisabilité d'une exploitation minière sûre sous le front de taille théoriquement prévu.

Pour assurer l'exploitation en toute sécurité du front de taille sous l'aquifère complexe du socle rocheux, la détermination de la plage de danger de l'aquifère et de la structure du substrat rocheux et la prévision de la hauteur de développement de la zone de fracture après l'exploitation du front de taille sont les problèmes clés à résoudre en premier. Actuellement, le principal moyen de déterminer les travaux géologiques et hydrologiques de l'exploration minière reste la méthode de détection sur le terrain, qui est également la méthode la plus directe et la plus fiable, y compris la méthode de forage, la méthode de prospection géochimique, les méthodes d'exploration géophysique (y compris la méthode de résistivité à haute densité, la méthode microsismique, la méthode des ondes acoustiques), les expériences hydrogéologiques, etc. L'utilisation de méthodes d'exploration géophysique pour détecter l'étendue de la zone riche en eau du toit et l'utilisation de méthodes de forage pour détecter l'épaisseur et la faisabilité d'une exploitation minière sûre sous les aquifères des fronts de taille complexes du substratum rocheux.

Le front de taille complet de 1318 de la mine de charbon Xiaoyun du groupe minier Shandong Jining a une disposition trapézoïdale irrégulière et pseudo-oblique. L'épaisseur de la couche meuble dans la couche de strates sus-jacente est importante, reflétant l'occurrence instable du substratum rocheux, qui est épais à certains endroits et mince à certains endroits, et le toit du front de taille est recouvert d'un aquifère. Si la zone fracturée formée après l'exploitation du front de taille débouche sur l'aquifère, il y a risque de catastrophe d'arrivée d'eau. Dans cette étude, des méthodes d'exploration géophysique ont été proposées pour explorer l'étendue de la zone riche en eau. L'épaisseur et la structure de la couverture rocheuse ont été détectées par la méthode de forage. La hauteur de la zone de fracture conductrice d'eau a été prédite par une prédiction de formule empirique, une prédiction théorique, une analyse de détection sur le terrain et d'autres méthodes. Enfin, il a été jugé si la taille du pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau du front de taille était conforme à la plage d'exploitation minière sûre, et la faisabilité d'une exploitation minière sûre sous l'aquifère du front de taille rocheux a été analysée de manière approfondie. La conclusion de la recherche fournit des conseils de sécurité importants pour l'exploitation de mines similaires25,26.

La mine de charbon de Xiaoyun est située dans la ville de Jining, dans la province du Shandong, en Chine. Le filon de charbon 3 est principalement exploité. La veine de charbon s'oriente vers le nord-ouest et tend vers le nord-est. L'angle d'inclinaison du filon de charbon est de 13° ~ 26°, avec une moyenne de 17°. L'épaisseur moyenne du filon de charbon est de 2,8 m. Comme le montre la figure 1. La direction du front de taille est presque d'est en ouest et la tendance est presque au nord dans une forme trapézoïdale irrégulière avec une disposition pseudo-oblique. La longueur du front de taille au niveau du trou de coupe est de 220 m. Avec l'avancée du front de taille, la longueur du front de taille se raccourcit progressivement, la longueur du front de taille à la ligne d'arrêt est d'environ 100 m et la longueur d'avancée du front de taille est de 290 m. La toiture est principalement constituée de divers grès moyen et grès fin, dont la toiture immédiate est en grès fin d'une épaisseur moyenne de 4,65 m et l'ancienne toiture est en grès moyen d'une épaisseur moyenne de 13,45 m. L'histogramme géologique complet est illustré à la Fig. 2. L'épaisseur du socle rocheux à l'intérieur du front de taille augmente progressivement du sud-ouest au nord-est, et l'épaisseur de la partie la plus mince est d'environ 60 m. La principale source de remplissage d'eau dans la zone minière est l'aquifère de fissure de grès du toit de charbon 3. Cet aquifère est composé de grès à grain moyen de quartz gris blanc et de grès à grain fin, contenant des inclusions ou des bandes boueuses, d'une épaisseur moyenne de 45,8 m. L'apport d'eau unitaire de l'aquifère est de 0,00001295 ~ 0,00821 L/s·m, et le coefficient de perméabilité est de 0,000599 ~ 0,016 m/d. La connectivité du système aquifère de grès dans le toit de la couche de charbon n° 3 est médiocre, la teneur en eau est hétérogène et la portée de certaines zones riches en eau n'est pas claire.

La disposition de la face de travail 1318.

L'histogramme géologique complet de 1318.

Dans la roche de couverture du front de taille, le socle rocheux est instable et d'épaisseur inégale, et le toit du front de taille est recouvert d'un aquifère. Par conséquent, si la zone de fracture formée après l'exploitation du front de taille débouche sur l'aquifère, il existe un risque d'irruption d'eau catastrophique. Par conséquent, une étude de faisabilité devrait être réalisée avant d'exploiter le front de taille.

En utilisant des techniques géophysiques telles que la méthode électromagnétique transitoire de la mine et la méthode électrique tridimensionnelle à haute densité27,28,29,30,31, l'étendue des zones anormales riches en eau dans l'aquifère sus-jacent du front de taille 1318 a été explorée.

Comme le montrent les Fig. 3 et 4. La détection a été effectuée dans les rainures de courroie, les rainures de piste et le trou de coupe dans la face de travail 1318. La distance entre les positions de détection adjacentes était de 10 m. Au total, 37 positions de détection ont été disposées de la ligne d'arrêt au trou de coupe dans les rainures de la courroie, 38 positions de détection ont été disposées de la pointe du fil X6 au trou de coupe dans les rainures de la courroie et 20 positions de détection ont été disposées dans le trou de coupe. Parmi eux, la direction du toit du front de taille a été détectée, et la direction de détection du toit était de 45°, 90° vers le haut et 45° vers le bas. Les profils de résistivité bidimensionnels de chaque direction de détection ont été réalisés à deux profondeurs de 45 m et 60 m à partir de la partie supérieure de Coal Seam 3. Les profils de résistivité des différents angles de chaque ligne de levé ont été analysés en profondeur. La couche aquifère du toit qui menace l'exploitation minière de Coal Seam 3 a été principalement analysée et un diagramme de tranche de lit de résistivité calcaire a été formé. L'analyse complète peut obtenir une portée plus complète et plus précise de la zone d'anomalie riche en eau de l'aquifère sus-jacent sur le front de taille.

Schéma de principe de la détection par méthode électromagnétique transitoire.

Schéma du sens de détection du front de taille 1318.

Comme le montre la Fig. 5. La détection a été effectuée dans les rainures de la courroie, la rainure de la piste et le trou de coupe de la face de travail 1318, avec un espacement de 5 m entre les points de mesure adjacents. Au total, 3 lignes de mesure ont été disposées, une ligne de mesure a été disposée dans les rainures de la courroie, avec 72 points de mesure, une ligne de mesure a été disposée dans la rainure de la voie, avec 88 points de mesure, et une ligne de mesure a été disposée dans le trou de coupe, avec 45 points de mesure. Parmi eux, le profil de résistivité tridimensionnel de chaque direction de détection a été divisé en tranches de lit de résistivité de 30 m et 40 m à partir de la partie supérieure de Coal Seam 3. Selon la forme de réflexion, la taille de la plage et la valeur de résistance de l'isoligne de résistivité apparente (chromatogramme) dans la carte de section de résistivité apparente inversée par la méthode de résistivité à haute densité, combinée à des données géologiques et d'enquête, la portée de la zone d'anomalie riche en eau de l'aquifère sus-jacent sur la surface de travail peut être obtenue plus complètement et plus précisément grâce à l'analyse complète des données.

Schéma de disposition de la position de détection électrique haute densité.

La méthode de forage du substrat rocheux a été utilisée pour étudier la lithologie, l'épaisseur et la distribution de l'aquifère du toit et de l'aquiclude de Coal Seam 332,33. Comme le montre la Fig. 6. Les chambres de forage ont été conçues avec une chambre de forage dans les 1318 rainures de courroie et deux chambres de forage dans la rainure de 1318 chenilles. La chambre de l'engin de forage 1 est située à 28 m en arrière du point P7 de la gorge de la bande 1318, la chambre de l'engin de forage 2 est située à 11,7 m avant le point X9 de l'encoche de la voie 1318 et la chambre de l'engin de forage 3 est située à 10 m avant le point X8 de la gorge de la voie 1318. Parmi eux, la chambre de la plate-forme de forage 2 a été construite avec 4 forages d'exploration et de drainage du toit, qui étaient DT-1, DT-2, DT-3 et DT-4. La lithologie des forages était principalement gréseuse. Les paramètres de forage sont présentés dans le tableau 1. Grâce à l'analyse comparative complète des résultats de forage, une lithologie, une épaisseur et une distribution plus complètes et précises du socle rocheux de l'aquifère sus-jacent sur le front de taille peuvent être obtenues.

Plan de distribution des trous de forage.

La hauteur de développement de la zone de fracture est le facteur clé pour une exploitation minière sûre sous l'aquifère. La recherche théorique sur la hauteur de développement de la zone de fracture est la base pour évaluer la faisabilité d'une exploitation sûre dans les fronts de taille34,35,36,37,38,39.

Le tableau 2 est la formule de calcul de la hauteur de la zone de fracture conductrice d'eau largement utilisée par les techniciens chinois des mines de charbon actuellement, qui est basée sur la formule empirique donnée dans le Règlement sur la construction, le plan d'eau, le chemin de fer et la route principale. La formule est obtenue par analyse statistique d'un grand nombre de résultats mesurés. La lithologie du mort-terrain est classée comme "raideur", "moyenne-dure" ou "molle". Pour le type "extrêmement mou", différentes formules sont utilisées pour calculer la hauteur de la zone de fracture conductrice d'eau de la roche de couverture.

Un grand nombre d'études antérieures ont montré qu'après l'extraction du filon de charbon, le mouvement des strates sus-jacentes est un mouvement de flexion et d'enfoncement avec le groupe de strates rocheuses comme une unité. Chaque groupe de strates est entraîné par une couche de roche dure au fond pour coordonner le mouvement des couches supérieures de roche faible. La combinaison de mouvements de la strate rocheuse est déterminée par les facteurs de résistance (y compris la lithologie, l'épaisseur et le module d'élasticité) de chaque strate rocheuse. La strate rocheuse supérieure avec des facteurs de faible résistance se déplacera simultanément avec la strate rocheuse inférieure avec des facteurs de résistance élevés, et la courbure d'affaissement est la même. Lorsqu'une certaine strate de roche dure a un affaissement important, ce qui conduit à la formation de suffisamment de fissures à la surface de la strate rocheuse pour conduire l'eau, la strate supérieure de roche tendre contrôlée par elle a le même affaissement que la strate rocheuse, et sa capacité anti-déformation est inférieure à la strate inférieure de roche dure, de sorte que ses fractures développées atteignent également le degré de pénétration, de sorte que le groupe de strates rocheuses sera classé dans la catégorie des zones fracturées conductrices d'eau en même temps. Par analogie, lorsque l'affaissement d'une couche de roche dure n'est pas suffisant pour former suffisamment de fractures conductrices d'eau, la zone de fracture conductrice d'eau est fortement développée jusqu'à cette couche de strate rocheuse. À ce moment, le groupe de strates rocheuses au-dessus de cette couche appartient à la zone de flexion. Par conséquent, on peut voir que la zone de fracture conductrice d'eau des strates sus-jacentes du front de taille se développe progressivement vers le haut en forme d'échelle avec le groupe de strates rocheuses comme unité, et le développement de la fracture de chaque groupe de strates est contrôlé par le mouvement de la formation de roche dure inférieure. Cette compréhension est différente du concept traditionnel de la formation d'une zone de fracture conductrice d'eau. Pour deux strates adjacentes, qu'elles se déplacent ensemble pour former un groupe de strates ou séparément, la courbure maximale ρmax du tassement de la strate peut être utilisée pour juger41.

Lorsque , les deux strates sont combinées en un mouvement de strate.

Lorsque , les deux strates se déplacent séparément pour former deux groupes de strates.

La courbure de flexion maximale d'une poutre oscillante peut être exprimée comme suit :

où : α sont des coefficients déterminés par les conditions d'appui de la poutre en enrochement ; L—Portée limite de la poutre rocheuse ; E—Module d'élasticité de la poutre rocheuse ; m-épaisseur de strate.

Le front de taille 1314 était adjacent au front de taille 1318 et les conditions d'exploitation du front de taille 1314 sont les mêmes que celles du front de taille 1318. La méthode de mesure sur le terrain du front de taille adjacent a été utilisée pour détecter le front de taille 1314 sur place, et la hauteur de développement de la zone de fracture du front de taille 1318 a été obtenue par analyse. Le principe de mesure de champ et la conception du schéma sont les suivants.

La forme de développement d'une zone de fracture conductrice d'eau dans les strates sus-jacentes après l'exploitation du front de taille 1318 est détectée et analysée en utilisant la méthode d'observation de l'injection d'eau de la fuite du forage incliné souterrain. Le principe de cette méthode d'observation consiste à aménager un champ de forage à une certaine position autour du front de taille souterrain, à forer un trou de forage incliné du champ de forage à la zone de fracture conductrice d'eau du mort-terrain au-dessus du goaf du front de taille et à utiliser l'instrument d'observation de la hauteur du guide souterrain pour observer la hauteur du guide, comme illustré à la Fig. 7. L'équipement d'observation est utilisé pour effectuer des observations segmentées d'injection d'eau sur le trou de forage de bas en haut. Selon la règle de changement des fuites d'injection d'eau dans différentes zones du trou de forage, la hauteur de développement, la forme des limites spatiales et d'autres caractéristiques de la zone de fracture de la roche de couverture peuvent être analysées et déterminées plus clairement et plus précisément.

Diagramme d'observation en hauteur d'une zone de fracture conductrice d'eau dans le forage souterrain.

L'instrument d'observation de la hauteur du guide de fond de trou est agencé comme indiqué sur les Fig. 8 et Fig. 9. Le dispositif d'arrêt d'eau à double extrémité est composé de deux capsules d'expansion et de sondes d'injection d'eau. Il y a deux conduites de raccordement, la conduite d'expansion et la conduite d'injection d'eau. La console est la console d'expansion et la console d'injection d'eau. La console d'expansion, la canalisation d'expansion et les deux capsules de l'arrêt d'eau à double extrémité sont connectées pour former un système de contrôle de la pression d'expansion et de contraction de la capsule. La console d'injection d'eau, la conduite d'injection d'eau et le tuyau de sonde d'injection d'eau du dispositif d'arrêt d'eau à double extrémité sont connectés pour former un système d'observation d'injection d'eau pour observer la conductivité de l'eau de la strate rocheuse.

Diagramme schématique d'essai de l'instrument d'observation d'élévation pour le forage incliné.

Schéma de structure du dispositif d'arrêt d'eau à double extrémité.

Selon le principe d'observation de la zone de fracture conductrice d'eau et les conditions d'aménagement de la chaussée autour du front de taille 1314, la position du champ de forage d'observation dans la zone fracturée conductrice d'eau est illustrée à la Fig. 10. La position d'observation du forage d'observation de la hauteur pilote a été définie près de l'intersection des chaussées fermées et de contact de la rainure de la piste du front de travail. La distance en ligne droite entre le site de forage et la ligne d'arrêt du front de taille était d'environ 38,8 m. Au total, deux forages d'observation en hauteur, le forage 1 et le forage 2, ont été conçus. L'azimut du trou de forage d'observation 1 a été décalé vers la gauche le long de la rainure de piste de 12°, ce qui était essentiellement dans la direction verticale avec la ligne d'arrêt du front de taille. Le forage 2 a continué à se décaler de 15° vers la gauche le long du forage 1. Il a été utilisé pour observer le développement de la zone de fracture de la roche sus-jacente en direction du front de taille.

Schéma du plan d'implantation du forage d'observation.

La conception des paramètres du trou de forage d'observation est la clé de la détection sur le terrain. Les paramètres de conception comprennent principalement l'angle d'inclinaison et la longueur du trou de forage. Selon les exigences de conception des forages d'observation, l'observation de la hauteur de la zone de fracture conductrice d'eau dans les strates sus-jacentes a nécessité deux forages d'observation au niveau de la section d'observation. Les forages ont été réalisés à proximité de l'intersection des voies fermées et de contact de la rainure de la voie 1314 jusqu'à la ligne d'arrêt du front de taille 1314. Les éléments de chaque forage sont présentés dans le tableau 3. Le profil d'implantation du forage pour l'observation guidée en hauteur est présenté dans la figure 11.

Profil d'implantation du forage d'observation en hauteur.

Selon les résultats de détection de la méthode électromagnétique transitoire, la Fig. 12 montre la carte des anomalies des tranches de litage de résistivité apparente à deux profondeurs de 45 m et 60 m du toit du front de taille. D'après le diagramme, on peut voir qu'à 45 m au-dessus du toit de Coal Seam 3 : dans le pieu à rainures de voie numéro 1090 ~ 1140 m étendu jusqu'à la face de travail de 60 m, le pieu à gorge de voie numéro 1250 ~ 1290 m étendu jusqu'à la face de travail de 50 m, et le pieu à gorge de voie numéro 1320 ~ 1350 m étendu jusqu'à la face de travail de 20 m. La résistivité apparente dans la zone anormale était inférieure à 4 Ω·m et la teneur en eau de l'aquifère était relativement forte. 60 m au-dessus du toit de la couche de charbon 3 : le numéro de pieu à rainure de voie 1100 ~ 11 150 m étendu jusqu'au front de taille 70 m, et le numéro de pieu à rainure de ceinture 1200 ~ 11 240 m prolongé jusqu'au front de taille 70 m. La résistivité apparente dans la zone anormale était inférieure à 4 Ω·m et la teneur en eau de l'aquifère était relativement forte.

Le diagramme de tranches de litage de résistivité apparente de l'aquifère du toit de la face de travail 1318 et la carte de distribution d'eau riche.

En combinaison avec les résultats de l'exploration électromagnétique transitoire, les résultats de l'exploration du substrat rocheux et l'arrosage du toit lors de l'excavation de la chaussée, certaines zones anormales ont été vérifiées. Deux zones anormales ont été dessinées au-dessus du toit dans le front de taille, comme illustré à la Fig. 13. Parmi elles, la plage verticale de la zone anormale 1 est de 45 à 60 m du toit, avec une superficie de 3334 m2 ; la plage verticale de la zone anormale 2 est de 30 à 60 m du toit, avec une superficie de 2520 m2.

Toit zone anormale du front de taille.

Selon l'analyse des résultats de la méthode électrique à haute densité, la Fig. 14 montre la méthode électrique à haute densité de la méthode d'exploration géophysique pour détecter la carte d'anomalie tridimensionnelle des tranches de literie de résistivité de 30 m et 40 m du toit de face de travail. En comparant la tranche de lit de 30 m au-dessus du toit avec la tranche de lit de 40 m au-dessus du toit, on peut voir que la résistivité de la tranche de lit à 30 m au-dessus du toit était la plus faible, la résistivité de la zone anormale était inférieure à 2 Ω·m et la teneur en eau de l'aquifère était relativement forte.

Données tridimensionnelles sur les tranches de litage de la résistivité du toit de la face de travail 1318.

Combiné avec les caractéristiques de distribution structurelle et les conditions hydrogéologiques du front de taille et les résultats de l'exploration et du drainage avancés dans le processus d'excavation de la chaussée, l'état riche en eau de l'aquifère de grès sur le toit du front de taille est déduit et expliqué (voir Fig. 15). Un total de 1 zone anormale a été expliquée dans toute la zone, avec une superficie totale d'environ 3306 m2.

Distribution riche en eau de l'aquifère de grès du toit dans le front de taille 1318.

Sur la base des résultats d'exploration géophysique ci-dessus, deux zones anormales ont été trouvées dans toute la zone. La plage verticale de la zone anormale 1 était de 45 à 60 m du toit, avec une superficie de 3334 m2. La portée verticale de la zone anormale 2 était de 30 à 60 m à partir du toit, avec une superficie d'environ 2913 m2. L'état aquifère de l'aquifère du toit de la couche de charbon du front de taille 1318 a été clarifié au cours de cette étude, et la propriété aquifère de l'aquifère du toit était relativement faible.

Combinées aux résultats de forage, certaines sections colonnaires de trous de forage (TC1-1, TC2-1) ont été dessinées grâce à une analyse approfondie. Selon l'analyse de la Fig. 16, il a été conclu que les types de substrat rocheux dans la gamme du front de taille 1318 sont principalement du grès moyen, du grès fin, du siltite, du grès grossier, du grès moyen graveleux et du grès grossier graveleux, principalement du grès moyen. L'épaisseur cumulée du grès moyen représentait environ 89 % de l'épaisseur détectée du socle rocheux. Hormis le fait que l'épaisseur du grès fin au toit direct de la veine de charbon était de 4,65 m, l'épaisseur moyenne des autres types de strates rocheuses était relativement faible, environ 1 m, ce qui peut être considéré comme l'intercalaire de grès moyen.

Histogramme de forage typique.

Selon les données de forage, le stéréogramme d'épaisseur du substratum rocheux a été tracé après analyse, comme le montre la figure 17. L'épaisseur du substratum rocheux dans la plage du front de taille 1318 augmente progressivement du sud-ouest au nord-est. La partie la plus mince était située à l'intersection de la ligne d'arrêt et de la rainure de la voie, et l'épaisseur était d'environ 60 m. La partie la plus épaisse était située à l'intersection du trou de découpe et de la rainure de ceinture, et l'épaisseur était d'environ 180 m. L'épaisseur du socle rocheux dans la zone d'exploitation de l'ensemble du front de taille 1318 était supérieure aux 55 m requis par la spécification d'exploitation minière de sécurité.

Stéréogramme de l'épaisseur du socle rocheux.

Selon l'analyse de la structure rocheuse environnante et des caractéristiques mécaniques du front de taille 1318 de la mine de charbon Xiaoyun, les strates sus-jacentes de Coal Seam 3 étaient principalement du siltstone et du grès fin moyen, et la résistance à la compression uniaxiale de la roche était supérieure à 50 MPa. L'analyse globale globale a montré que les strates sus-jacentes au front de taille appartenaient à la catégorie des strates de roche moyennement dure. En utilisant la formule empirique correspondant à la section "Prédiction de la formule empirique", en prenant l'épaisseur maximale d'extraction du front de taille de Coal Seam 3 1318 comme M = 3,3 m, les résultats du calcul de la hauteur de développement de la zone de chute et de la zone de fracture conductrice d'eau après l'extraction du front de taille sont présentés dans le tableau 4.

Selon l'analyse des caractéristiques du mouvement de la strate rocheuse, la structure composite des strates sus-jacentes de la veine de charbon 3 du côté de la rainure de la piste du front de taille 1318 dans la mine de charbon de Xiaoyun a été déterminée. Sur la base de la formule de prédiction théorique correspondant à la section "Méthode de prédiction théorique basée sur le groupe de strates rocheuses", le calcul et l'analyse ont été effectués un par un. La gamme de substratum rocheux sus-jacent du front de taille 1318 peut être divisée en cinq groupes de strates avec des combinaisons douces et dures alternées. Comme le montre le tableau 5. L'épaisseur globale de la strate rocheuse du groupe I était de 4,1 m, qui couvrait directement la couche de charbon 3 du front de taille et appartient à la catégorie de toit direct de la couche de charbon 3. Après l'extraction de la couche de charbon du front de taille, le groupe de strates rocheuses s'est progressivement effondré avec l'augmentation progressive de l'espace minier et s'est accumulé dans le goaf. L'épaisseur globale du groupe de strates II était de 22,42 m. En raison de sa grande épaisseur globale et de sa haute résistance, la fracture en flexion entraînerait le déplacement simultané des trois masses de charbon et de roche sus-jacentes dans le groupe de strates, formant une ancienne structure composite de roche de toit. La loi caractéristique de mouvement et de rupture du groupe de strates rocheuses est illustrée à la Fig. 18.

Combinaison de roche de couverture et caractéristiques de fracture.

Selon l'analyse des caractéristiques structurelles de la roche de couverture de la mine de charbon de Xiaoyun, étant donné que la roche de couverture du front de taille de Coal Seam 3 1318 était principalement une structure rocheuse composite, le mouvement dynamique de la strate rocheuse montrerait une incoordination évidente. Selon la théorie classique de la pression rocheuse et le calcul et l'analyse du mouvement mécanique des poutres rocheuses, les strates sus-jacentes ont été classées par combinaison de strates. Après l'extraction de la couche de charbon du front de taille, la forme de mouvement des couches sus-jacentes devrait être le mouvement d'affaissement en flexion avec le groupe de couches rocheuses comme unité. Chaque groupe de strates était contrôlé par la couche de support avec une grande épaisseur et une résistance élevée dans la partie inférieure, qui entraînait le mouvement synchrone et coordonné des couches supérieures de roche faible, et la courbure d'affaissement était la même. Lorsque la couche de support la plus basse était pliée et cassée, les couches de roche tendre sus-jacentes se déplaçaient et se cassaient en même temps.

Des données d'observation fiables ont été obtenues à partir des deux forages du front de taille 1314. Selon les données de ces deux forages, la hauteur de développement et la forme de la zone de fracture conductrice d'eau sus-jacente du front de taille peuvent être déterminées avec précision.

Selon les données d'observation sur le terrain, le diagramme de perméabilité de chaque section de la strate rocheuse dans le trou n° 1 est dessiné comme illustré à la Fig. 19. La fuite d'injection d'eau dans chaque section du trou de forage avait des caractéristiques de segmentation évidentes, et il y avait une grande différence dans la fuite d'injection d'eau dans chaque section, indiquant que l'ensemble du trou de forage traverse différentes sections de développement de fractures rocheuses, ce qui a également vérifié la rationalité de la conception du trou de forage. Selon la séquence d'observation de bas en haut dans le trou de forage, la fuite d'injection d'eau de chaque section de la strate rocheuse dans le trou de forage a été résumée et analysée comme suit : dans la zone de forage de la section I, la longueur inclinée du trou de forage était de 77,7 ~ 59,7 m, la hauteur verticale était de 49,9 ~ 38,4 m, l'infiltration d'eau de la strate rocheuse était de 0 ~ 7,6 L/min, la perméabilité de toute la section de la strate rocheuse était inférieure à 10 L/min, et la perméabilité de la strate rocheuse était petite, indiquant que la deuxième ouverture dans la strate rocheuse n'était pas développée, et la strate rocheuse était principalement l'ouverture principale. Étant donné que la perméabilité de la strate rocheuse était faible, le trou de forage dans cette zone se trouvait en dehors de la plage de développement de la zone de fracture conductrice d'eau et le trou de forage n'était pas encore entré dans la zone de la zone de fracture. Dans la zone du trou de forage de la section II, la longueur inclinée du trou de forage était de 59,7 m ~ 23,7 m, la hauteur verticale était de 38,4 m ~ 15,2 m et le volume d'infiltration d'eau de la strate rocheuse a fortement augmenté à 12,0 ~ 27,3 Le volume d'infiltration d'eau de la strate rocheuse était important, indiquant que le trou de forage avait pénétré dans la zone de fracture à ce moment. Dans cette zone, la strate rocheuse a été fortement affectée par l'exploitation minière. L'ouverture secondaire produite par l'enfoncement et la flexion de la strate rocheuse était relativement développée et la connectivité entre les ouvertures était bonne. Par conséquent, la fuite d'injection d'eau du trou de forage était importante et la conductivité globale de l'eau de la strate rocheuse était forte. Dans la zone de forage de la section III, la longueur inclinée du forage était de 23,7 m ~ 11,6 m, la hauteur verticale était de 15,2 m ~ 7,5 m, l'infiltration d'eau de la strate rocheuse était de 1,2 ~ 6,5 L/min, la perméabilité de toute la section de la strate rocheuse était inférieure à 10 L/min et la perméabilité de la strate rocheuse était faible, indiquant que la deuxième ouverture dans la strate rocheuse n'était pas développée, et la strate rocheuse était principalement l'ouverture principale. Étant donné que la perméabilité de la strate rocheuse était faible, la hauteur de développement de la zone de fracture n'a pas été affectée ici, et elle se situait essentiellement dans la catégorie d'une zone d'affaissement en flexion.

Résultats d'observation de forage.

Selon le point d'inflexion du changement de la fuite d'injection d'eau de la strate rocheuse dans la zone de forage en trois sections, la hauteur de développement de la zone de fracture conductrice d'eau obtenue à partir du trou d'observation #1 était d'environ 38,4 m. De la même manière, on peut conclure que la hauteur de développement de la zone de fracture conductrice d'eau obtenue à partir du sondage #2 était d'environ 39,5 m.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, les résultats d'observation de la section d'observation de forage ont été résumés : trou #1 : H (1) = 38,4 m, trou #2 : H (2) = 39,5 m. Les résultats d'observation des deux forages étaient relativement proches. Pour assurer un facteur de sécurité élevé, la valeur maximale a été prise comme résultat final. Par conséquent, selon les données mesurées sur le terrain, il a finalement été déterminé que le résultat mesuré sur le terrain de la hauteur de développement de la zone de fracture conductrice d'eau dans le front de taille 1314 de la mine de charbon de Xiaoyun était de 39,5 m.

Sur la base de l'enquête et de l'analyse de l'épaisseur d'extraction du filon de charbon dans le front de taille près de l'emplacement d'observation, l'épaisseur d'extraction a été prise à 3,5 m, de sorte que le paramètre de rapport d'extraction de fissures T du front de taille 1314 de la mine de charbon de Xiaoyun peut être obtenu : T = 39,5/3,5 = 11,29.

Dans le même temps, selon les points de données d'observation, la forme de la zone de fracture conductrice d'eau sus-jacente sur le front de taille 1314 de la mine de charbon de Xiaoyun se présente comme une distribution "en forme de selle" relativement régulière. En raison des différences d'angle d'inclinaison de conception et d'angle d'azimut, les trous de forage 1 # et 2 # traversent les zones douces et maximales dans la partie supérieure de la zone de fracture "en forme de selle", respectivement. Les résultats d'observation de 2 # forages sont les plus grands, prouvant qu'ils traversent précisément la zone de hauteur maximale du développement de la zone de fracture. La morphologie de la zone de fracture tracée par le site de forage présente une très grande similitude, comme le montre la Fig. 20.

Courbe d'ajustement de la morphologie de développement de la zone de fracture du mort-terrain dans la face de travail 1314.

Selon le rapport fissure-extraction du front de taille 1314 après exploitation, la hauteur mesurée de la zone de fracture conductrice d'eau mesurée dans le front de taille 1318 était de 31,61 m, et le rapport d'épaisseur d'extraction correspondant était de 11,29 m. Sur la base de la morphologie de développement de la zone de fracture conductrice d'eau dans le front de taille 1314, il est analysé de manière analogique que dans les mêmes conditions géologiques, la morphologie de développement de la zone de fracture conductrice d'eau dans le front de taille 1318 le visage présente une forme en « selle ».

Selon la formule empirique du Règlement sur la construction, le plan d'eau, la voie ferrée et la pose des piliers de charbon et l'extraction de la pression du charbon, la méthode de prédiction théorique basée sur le calcul du groupe de strates rocheuses et la mesure sur le terrain, les valeurs prévues de la zone de fracture conductrice d'eau ont été obtenues, comme indiqué dans le tableau 6. Grâce à l'analyse comparative des trois méthodes, pour des raisons de sécurité, la hauteur maximale de la zone de fracture conductrice d'eau était de 42,64 m et le rapport hauteur-épaisseur d'extraction correspondant était de 12,92.

Selon l'analyse des résultats de la méthode de prospection géophysique, la plage verticale de la zone d'anomalie 1 était de 45 à 60 m du toit, avec une superficie de 3334 m2 ; la plage verticale de la zone anormale 2 était de 30 à 60 m du toit, avec une superficie d'environ 2913 m2. Selon l'analyse des données de forage, il a été conclu que le socle rocheux le plus mince dans la gamme du front de taille 1318 se situait à l'intersection de la ligne d'arrêt et de la rainure de la voie, avec une épaisseur d'environ 60 m. Les zones anormales ci-dessus étaient toutes des zones dangereuses de cette exploitation minière. Avec l'exploitation du front de taille 1318, la longueur du front de taille a été progressivement raccourcie. Selon la loi de distribution de l'épaisseur du substratum rocheux, comme illustré à la Fig. 21, la prédiction de la zone de fracture conductrice d'eau du front de taille avec différentes longueurs de front de taille a été faite. Avec l'avancée du front de taille, la portée de la zone de fracture conductrice d'eau a été continuellement réduite.

Prédiction de la zone de fracture conductrice d'eau du front de taille.

Le modèle mécanique de la structure de strate du pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau de sécurité est illustré à la Fig. 22, dans laquelle la hauteur de la zone fracturée conductrice d'eau est Hd, l'épaisseur de la couche protectrice est Hb et la hauteur verticale du pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau de sécurité est Hf. Grâce à l'exploration du substratum rocheux, il a été déterminé que la couche d'argile inférieure du Quaternaire était supérieure à la hauteur d'extraction maximale du front de taille de 1318, et que le substratum rocheux était essentiellement du grès moyen, qui appartient à la roche moyennement dure. Par conséquent, comme le montre le tableau 7, l'épaisseur de la couche protectrice Hb prise pour l'exploitation minière sous le système quaternaire de ce front de taille était de 3A, soit 3 × 3,3 = 9,9 m. Grâce à un calcul complet, il a été conclu que le pilier de charbon (roche) de prévention des eaux de sécurité Hf sous les alluvions quaternaires du front de taille était la somme de la hauteur de la zone de fracture conductrice d'eau Hd et de l'épaisseur de la couche protectrice Hb, qui était de 42,64 + 9,9 = 52,6 m. Le pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau de sécurité conçu dans la section de sécurité de la mine était de 55 m, et le pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau de sécurité laissé dans la zone minière réelle était supérieur à 60 m. Ainsi, l'extraction du front de taille 1318 ne sera pas affectée par l'eau de la couche d'impact du Quaternaire.

Modèle mécanique de la structure de strate de pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau.

Sous la structure complexe du socle rocheux, l'exploitation en toute sécurité du front de taille irrégulier a été affectée par de nombreux facteurs, tels que l'étendue de la zone riche en eau, l'épaisseur et la structure de la roche de couverture et la hauteur de développement de la zone de fracture conductrice d'eau. L'étude de l'influence des facteurs ci-dessus sur l'exploitation minière en toute sécurité sous l'aquifère du front de taille a joué un rôle directeur important dans l'analyse de faisabilité de l'exploitation minière en toute sécurité sous le front de taille d'un aquifère rocheux complexe.

L'étendue de la zone riche en eau a été déterminée par la méthode d'exploration géophysique, et la portée verticale de la zone anormale 1 était de 45 à 60 m du toit, avec une superficie de 3334 m2. La portée verticale de la zone anormale 2 était d'environ 2913 m à partir du toit, avec une superficie d'environ 2913 m2. Il fournit une base scientifique et un support de données pour juger avec précision l'exploitation minière en toute sécurité sous un aquifère avec un front de taille rocheux complexe.

L'épaisseur et la structure de la roche de couverture ont été déterminées par la méthode de forage. Grâce à l'analyse des données de forage, il a été conclu que la partie la plus mince du front de taille 1318 était située à l'intersection de la ligne d'arrêt et de la rainure de ceinture, avec une épaisseur d'environ 60 m, et la partie la plus épaisse était située à l'intersection du trou de coupe et de la rainure de ceinture, avec une épaisseur d'environ 180 m. Le socle rocheux dans la gamme du front de taille 1318 était bas au sud-ouest et élevé au nord-est.

Selon les trois méthodes de la formule empirique, la prédiction de la théorie des groupes de strates rocheuses et l'analyse par analogie de détection sur le terrain du front de taille adjacent, la hauteur maximale de développement de la zone de fracture après l'exploitation du front de taille était de 42,64 m.

Sur la base de l'analyse comparative des résultats de l'étendue de la zone riche en eau, de l'épaisseur et de la structure de la roche de couverture et de la hauteur de développement de la zone fracturée conductrice d'eau, la zone anormale dangereuse d'exploitation minière a été déterminée et la taille du pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau était de 52,6 m, ce qui était plus petit que le pilier de charbon (roche) de prévention de l'eau de sécurité réellement laissé dans la zone minière.

Du point de vue de la prévention de la sécurité de l'eau, le front de taille présente les conditions d'une exploitation minière sûre sur la base d'une bonne surveillance minière et de mesures d'urgence pendant le processus d'extraction. La conclusion de la recherche fournit des conseils de sécurité importants pour l'exploitation de mines similaires.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Cette étude a été soutenue par le Fonds ouvert du State Key Laboratory of Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resource (Nos.2021-KFYB-020); la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Nos.51774195); Taishan Scholar Engineering Construction Fund de la province du Shandong (No.tsqn201812071).

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Wanpeng Huang et Chengguo Zhang

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WH a construit le cadre général de l'article, fourni les données du papier, effectué la simulation informatique et l'expérimentation sur le terrain du papier, approuvé la version finale et joué un rôle clé dans la rédaction de l'intégralité de l'article ; SL a rédigé et révisé le manuscrit, dessiné des images, traité les données et accepté d'être responsable de tous les aspects du travail pour s'assurer que les problèmes liés à l'exactitude ou à l'exhaustivité de toute partie du travail ont été correctement étudiés et résolus. Il joue un rôle important dans l'interprétation des résultats; YW a effectué une surveillance sur place et a fourni des données précises. CZ a révisé le manuscrit et a joué un rôle clé dans la rédaction du résumé. DJ a réalisé une simulation FLAC 3D. XC a effectué une surveillance sur place et a fourni des données précises. ZY a effectué une surveillance sur place et a fourni des données précises.

Correspondance avec Chengguo Zhang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Huang, W., Sui, L., Wang, Y. et al. Étude des interactions exploitation minière et aquifère en conditions géologiques complexes et sa gestion. Sci Rep 13, 9462 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34947-6

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Reçu : 15 janvier 2023

Accepté : 10 mai 2023

Publié: 10 juin 2023

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

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