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Design Theory and Physical Simulation Test Using a Textile Bag to Control Water Inrush in a Coal Mine Roadway

Gestaltungsentwurf und physikalischer Simulationstest für die Verwendung eines Textilsacks zur Kontrolle eines Wassereinbruchs in einer Kohlengrubenstraße

Teoría de diseño y prueba de simulación física de la utilización de una bolsa textil para controlar la entrada de agua en la calzada de una mina de

利用纺织袋控制煤矿巷道突水的设计理论和物理模拟试验

Abstract

We conducted an in-depth study of a new textile bag grouting technology that can be used to deal with sudden mine water inrush events, while avoiding excessive grouting and long construction periods. We obtained the design length and critical water pressure theoretical solution of a textile bag based on its elasticity and used this to calculate the shear stress and axial stress curves of the textile bag with length. To verify theoretical rationality, we used a physical simulation to study the process of dynamic water interception by textile bags and conducted experimental tests using a reasonable proportion of double liquid slurry injection material to obtain the water-blocking time and water-deformation interception characteristics in the roadway. The results show that the size of textile bag can be determined when the critical water pressure is known. In addition, the stress change characteristics of a textile bag derived from physical simulation tests were consistent with theoretical analysis, indicating that textile bags can achieve rapid and controllable interception of dynamic water in the critical water pressure range. This approach has already been successfully applied in an actual mine. Thus, this study provides new technical methods and scientific reference data for mine water control.

Zusammenfassung

Wir haben eine eingehende Studie über eine neue Verpressungstechnologie mit Textilsäcken durchgeführt, die zur Bewältigung plötzlicher Grubenwassereinbrüche eingesetzt werden kann, ohne dass es zu übermäßigen Abdichtungen und langen Bauzeiten kommt. Wir haben die theoretische Lösung für die Bemessungslänge und den kritischen Wasserdruck eines Textilsacks auf der Grundlage seiner Elastizität ermittelt. Auf dieser Grundlage haben wir die Kurven für die Scherspannung und die axiale Spannung des Textilsacks mit der Länge berechnet. Um den theoretischen Denkansatz zu überprüfen, untersuchten wir mit Hilfe einer physikalischen Simulation den Prozess der dynamischen Wasseraufnahme durch Textilsäcke. Wir führten experimentelle Tests mit einem angemessenen Anteil an doppeltem Flüssigkeitsinjektionsmaterial durch, um die Blockierdauer für das Wasser und das Abfangen der wasserbedingten Verformung in der Fahrbahn zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass die Größe der Textilsäcke bestimmt werden kann, wenn der kritische Wasserdruck bekannt ist. Darüber hinaus stimmten die aus physikalischen Simulationstests abgeleiteten Spannungsänderungseigenschaften eines Textilsacks mit der theoretischen Analyse überein, was darauf hindeutet, dass Textilsäcke ein schnelles und kontrollierbares Auffangen von dynamischem Wasser im kritischen Wasserdruckbereich erreichen können. Dieser Ansatz wurde bereits erfolgreich in einem realen Bergwerk angewandt. Somit liefert diese Studie neue technische Methoden und wissenschaftliche Referenzdaten für die Grubenwassersteuerung.

Resumen

Hemos llevado a cabo un estudio en profundidad de una nueva tecnología de inyección de bolsas textiles que puede utilizarse para hacer frente a las irrupciones repentinas de agua en las minas, evitando al mismo tiempo una inyección excesiva y largos períodos de construcción. Obtuvimos la solución teórica de la longitud de diseño y la presión crítica del agua de una bolsa textil basada en su elasticidad y la utilizamos para calcular las curvas de esfuerzo cortante y esfuerzo axial de la bolsa textil con la longitud. Para verificar la racionalidad teórica, utilizamos una simulación física para estudiar el proceso de interceptación dinámica del agua por parte de las bolsas textiles y realizamos pruebas experimentales utilizando una proporción razonable de material de inyección de lodo líquido doble para obtener el tiempo de bloqueo del agua y las características de interceptación de la deformación del agua en la calzada. Los resultados muestran que el tamaño de la bolsa textil puede determinarse cuando se conoce la presión crítica del agua. Además, las características de cambio de tensión de una bolsa textil derivadas de las pruebas de simulación física eran coherentes con el análisis teórico, lo que indica que las bolsas textiles pueden lograr una interceptación rápida y controlable del agua dinámica en el rango de presión crítica del agua. Este enfoque ya se ha aplicado con éxito en una mina real. Este estudio proporciona nuevos métodos técnicos y datos científicos de referencia para el control del agua en las minas.

抽象的

我们深入研究了一种新型纺织袋注浆技术, 用于处理意外突水事故, 避免过度注浆和长期施工。依据纺织袋弹性, 得到纺织袋的设计长度和临界水压理论解, 据此计算出纺织袋剪应力和轴向应力随长度变化的曲线。为验证理论的合理性, 采用物理模拟的方法研究纺织袋的动态阻水过程, 用合理配比的双液浆注射材料进行实验测试, 得到了巷道内阻水时间和阻水变形特征。结果表明, 在已知临界水压的条件下, 可确定纺织袋尺寸。此外, 物理模拟试验所得纺织袋的应力变化特性与理论分析一致, 表明纺织袋能在临界水压范围内快速、可控地阻挡流动水流。该方法已成功应用于现场矿山。研究为矿井水管理提供了新技术方法和科学参考依据。

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References

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Acknowledgements

The authors are grateful to the key Project of Shaanxi Provincial Key Laboratory of Coal Mine Water Disaster Prevention and Control Technology (2020SKZD02), the Open Projects of Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources (KF2020-5), the National Natural Science Foundation of China (41402265 and 51874229) and the Natural Science Foundation of Shaanxi Province (2020JZ-52) for their financial assistance. We also thank the Xi’an University of Science and Technology for their numerical simulation experiment platform, the Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp for background information and basic data, and Professor Mingcheng Zhu for his ideas and technical support.

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Li, A., Yang, Y., Zhu, M. et al. Design Theory and Physical Simulation Test Using a Textile Bag to Control Water Inrush in a Coal Mine Roadway. Mine Water Environ 41, 654–665 (2022). https://doi.org/10.1007/s10230-022-00869-4

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10230-022-00869-4

Keywords

  • Dynamic water interception
  • Critical water pressure
  • Rapid and controllable interception
  • Mine water control