Three-Dimensional Reconstruction and Evolutionary Distribution Characteristics of Coal Wall Fractures in a Large-Mining-Height Longwall Face

Technische Samenvatting: Driedimensionale Reconstructie en Evolutionaire Distributiekenmerken van Kolenwandbreuken in een Longwall-werkfront met Grote Mijnbouwhoogte

Probleemstelling
Kolenwandafspatting (rib spalling) is een veelvoorkomende manifestatie van strata-drukgedrag in werkfronten met een grote mijnbouwhoogte, wat aanzienlijke risico's vormt voor de stabiliteit van de kolenwand en de productieveiligheid. Dit fenomeen wordt gedreven door een complexe interactie van factoren, waaronder de sterkte van de kolen, de mijnbouwhoogte, de dakdruk en de distributie van de voorwaartse abuutmentdruk (abutment pressure). Cruciaal is dat de schade aan de kolen niet uitsluitend het gevolg is van mijnbouw-geïnduceerde spanning, maar ook wordt beheerst door de inherente, verborgen en heterogene breuknetwerken binnen de kolenmassa. Naarmate het werkfront vordert, bevordert de spanningsconcentratie de propagatie en ontwikkeling van deze breuken, wat potentieel kan leiden tot instabiliteit. De verborgen aard en de complexe driedimensionale distributie van deze breuken maken het echter moeilijk om hun evolutionaire kenmerken te karakteriseren met traditionele methoden, wat een gat creëert in het begrip van de specifieke mechanismen van breukontwikkeling in omgevingen met grote mijnbouwhoogtes.

Methodologie
Om deze uitdagingen aan te pakken, maakte de studie gebruik van het 22523 werkfront van de Halagou-kolenmijn als engineering-achtergrond, waarbij een meerfasige aanpak werd gehanteerd die theoretische analyse, numerieke simulatie en geavanceerde beeldvorming combineerde:

1. Spanningsanalyse en Bemonsteringsstrategie:

   • Theoretische Analyse: De studie paste de limiet evenwichtstheorie toe om de distributie van de voorwaartse abuutmentdruk te berekenen, waarbij de theoretische piekpositie en het invloedsbereik werden bepaald.
   • Numerieke Simulatie: Een FLAC3D-model werd geconstrueerd op basis van de specifieke geologische condities van het 22523-front (5 m mijnbouwhoogte, 150 m begravingsdiepte). Het model simuleerde extractielengtes van 20 m tot 100 m om de evolutie van de verticale spanning en de pieken in de abuutmentdruk te observeren.
   • Bemonstering: Op basis van de gecombineerde theoretische en gesimuleerde resultaten werden ongestoorde kolenmonsters verzameld op vier verschillende afstanden van de kolenwand: 1 m (post-piek regio), 4 m (nabij de piekdruk), 6 m (binnen het invloedsbereik) en 40 m (oorspronkelijke rotsspanningszone, minimaal beïnvloed).

2. Industriële CT-scanning en Reconstructie:

   • Scanning: Gezamelde cilindrische specimens (φ50 mm × 100 mm) werden onderworpen aan industriële computertomografie (CT)-scanning met een flat-panel detector bij 360 kV en 1,3 mA, met een resolutie van 52 μm.
   • Preprocessing: CT-beelden ondergingen batchverwerking met ImageJ, inclus inclusief contrastaanpassing om het onderscheid tussen breuk en matrix te verbeteren, en Gaussische filtering om systeemruis te verminderen.
   • Extractie en 3D-reconstructie: Een drempelgebaseerde binarisatiemethode werd toegepast om breukkenmerken te extraheren (pixels toewijzen aan 0 of 255). De verwerkte gegevens werden geïmporteerd in de Avizo-software voor driedimensionale reconstructie, wat visualisatie van de ruimtelijke morfologie van het breuknetwerk mogelijk maakte.

3. Kwantitatieve Analyse:

   • Breukratio: Berekend als de verhouding tussen het breukoppervlak en het totale snijvlak in representatieve 2D-doorsneden om de breukdichtheid te kwantificeren.
   • Oriëntatieanalyse: Breukroosdiagrammen werden gegenereerd met intervallen van 10° om de dominante oriëntaties en de ruimtelijke distributie van de breuken te analyseren.

Belangrijkste Resultaten

• Spanningsdistributie: Zowel theoretische berekeningen als FLAC3D-simulaties gaven aan dat de piek van de voorwaartse abuutmentdruk zich ongeveer 4,85–5,2 m vóór het werkfront bevindt, met een invloedsbereik dat zich uitstrekt tot ongeveer 32,65–35 m.
• Evolutie van de Breukdichtheid: Er werd een duidelijke inverse relatie waargenomen tussen de afstand tot de kolenwand en de breukdichtheid. De door CT afgeleide breukratio's waren:
  • 1 m van de wand: 1,19%
  • 4 m van de wand: 0,63%
  • 6 m van de wand: 0,56%
  • 40 m van de wand: 0,01%
    Dit bevestigt dat mijnbouw-geïnduceerde verstoring de interne breukontwikkeling aanzienlijk verhoogt. Het monster op 40 m bevatte enkel primaire breuken, terwijl monsters dichter bij het front complexe, verbonden en snijdende breuknetwerken vertoonden.
• Ruimtelijke Morfologie en Oriëntatie: De studie onthulde significante verschillen in de driedimensionale breukdistributiepatronen op basis van de mate van mijnbouwinvloed. Naarmate de mijnbouwverstoring intensiveerde, nam niet alleen het aantal breuken toe, maar verschoof ook de dominante breukoriëntatie. Zo varieerden de dominante oriëntaties van geconcentreerde bereiken van 0°–10° in het 4 m monster naar −40° tot −50° en 40°–50° in het 1 m monster. Dit geeft aan dat mijnsspanning de opening, propagatie en recombinatie van primaire breuken bevordert, waardoor hun ruimtelijke uitlijning verandert.

Betekenis en Claims
Het artikel stelt dat de bevindingen een referentie bieden voor het analyseren van het breukontwikkelingsmechanisme van kolenwanden in werkfronten met een grote mijnbouwhoogte. Door de afstandsafhankelijke evolutie van breukdichtheid en oriëntatie te onthullen, biedt de studie een basis voor het evalueren van de stabiliteit van de kolenwand en het beoordelen van risico's op kolenwandafspatting onder vergelijkbare geologische omstandigheden.

De auteurs hanteren een bescheiden standpunt met betrekking tot de bredere toepasbaarheid van hun resultaten. Zij erkennen expliciet de beperkingen en merken op dat de door CT afgeleide breukratio een relatieve indicator is gebaseerd op representatieve doorsneden, in plaats van een absolute volumetrische porositeit. Bovendien stellen zij dat de conclusies primair van toepassing zijn op het 22523 werkfront en vergelijkbare longwall-fronten met een grote mijnbouwhoogte, en dat verdere veldvalidatie vereist is voordat de resultaten direct kunnen worden gebruikt voor kwantitatieve voorspelling van kolenwandafspatting. De studie benadrukt dat de waargenomen evolutie van een zwak ontwikkelde primaire staat naar een door mijnbouw versterkte schade-toestand een kritieke factor is voor het begrijpen van het mechanische gedrag van kolenwanden in deze specifieke mijnbouwormgevingen.