CN105512354A - 一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法。本发明包括以下步骤：结合井下施工条件和密闭充填材料的经济性、可行性等原则，基于正交法确定联巷密闭墙充填材料的最佳配比；基于单轴、三轴压缩试验确定充填材料的力学特性参数；初步估算密闭墙构筑可能工况；建立邻近工作面开采条件下采场三维数值模拟力学模型；进行初始平衡状态求解计算；进行煤层开挖工作；进行回风巷、联络巷等开挖工作；进行联巷密闭墙修建工作；数值模拟结果分析以确定最合理厚度。本发明可确定实际条件下邻近工作面联巷密闭墙的构筑参数，得到联巷密闭墙随着工作面的推进时各部位应力变化和塑性破坏情况，对煤层工作面开采过程中矿井通风及煤自燃预防的深入研究具有重要的指导意义。

Description

一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法

技术领域：

本发明涉及一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，属于矿井火灾防治领域。

技术背景：

随着我国能源结构的调整及采矿技术的不断发展，新的生产工艺及技术给矿井带来较大经济效益，同时也使得矿井灾害防治面临着新的挑战。联巷密闭墙是相邻两工作面重要的通风设施，也是确保临近工作面的安全生产的重要屏障。传统联巷密闭墙的构筑的位置和厚度选择不当，极易导致密闭墙压裂、垮塌，产生大量漏风裂隙，在矿井原有的负压通风作用下产生漏风通道，容易引起相邻两工作面煤自然发火。

此外，在矿山压力及工作面开采动压影响下，容易造成联巷密闭应力集中，同样会产生漏风通道。因此采用一种合适的数值模拟方法对于现实实际相似条件下联巷密闭墙的厚度和位置展开数值模拟具有重要的意义。

结合国内外研究现状，针对煤矿井下联络巷密闭墙的合理位置和厚度方面研究相对较少，目前，针对密闭墙在邻近工作面采动影响下的变形破坏情况进行数值模拟的研究没有相关进展，因此具有创新意义，并对煤矿生产中煤自燃防治及井下通风工程具有重大的指导意义。

发明内容：

本发明的目的在于针对国内外煤矿井下联巷密闭构筑中面临的难题和技术的不足，提供一种基于物理实验与数值模拟相结合的矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法。

一种基于物理实验与数值模拟相结合的矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)利用正交法确定密闭充填材料的最佳配比；

(2)根据步骤(1)的配比，采用单轴、三轴压缩试验确定岩体及充填材料的力学参数；

(3)结合步骤(2)力学参数，依据理论推导及力学分析初步估算联巷密闭墙构筑的可能工况；

(4)根据实际工作面地质概况，建立三维采场数值模型并设定边界条件和初始条件，定义相应的材料力学参数；

(5)对步骤(4)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(6)进行煤层开挖工作；

(7)对步骤(6)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(8)进行回风巷、联络巷开挖工作；

(9)对步骤(8)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(10)依照步骤(3)中的可能工况进行模拟计算；

(11)对步骤(10)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

2.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(1)中填充材料选取水、粉煤灰为基料，水玻璃、熟石灰组合为固化剂。

3.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，基于步骤(1)的最佳配比，采用弹性抗压试模确定力学参数；现场采集各岩层试样，进行单轴三轴试验，确定岩体力学参数。

4.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，依据抗剪强度与厚度关系、最大剪应力与厚度关系、弯矩与厚度关系结合FLAC^3D软件进行联巷开挖模拟后得到联络巷顶板上方0.5处承压力的分布规律及顶板沉降规律，得到密闭墙初步修建工况。

5.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，所述三维力学模型包括工作面和回采工作面，工作面沿倾向方向依次为巷道煤柱，上顺槽；回采工作面，下顺槽，巷道煤柱。

6.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述建立数值模拟力学模型包括以下步骤：

S41通过ANSYS软件建立三维几何模型并划分计算网格；采用插件ANSYS-to-flac3d将网格文件导入FLAC3D软件中；

S42选取力学材料模型为FLAC^3D中莫尔一库仑Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏：

其中，σ₁、σ₃分别是最大和最小主应力，c，分别是粘结力和摩擦角。

S43确定摩尔一库伦本构模型所选的材料参数：弹性模量，K；内聚力，c；内摩擦角，抗拉强度，σ₁；泊松比；调整与数值模拟的材料参数一致。

S44加载及设置边界条件和初始条件。

7.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述的力学模型的初始平衡状态求解计算包括设置监控变量、求解和结果分析三个步骤，具体如下：

S51由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算；

S52模型初始化平衡状态下由FLAC^3D采用显式的时间步动态求解；

S53在FLAC^3D程序中保存初始平衡状态下的力学模型，得到垂直应力分布剖面图。

8.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的煤层开挖工作包括进行煤层开挖和对开挖的模型求解；

S61设置模型开挖煤层，从模型右距离邻近工作面停采线100m处开始回采，每次推进l0m，共采6步，推进60m；

S62在开挖前，先将由步骤(3)求解所得的模型的初始平衡状态进行保存；

S63进行开挖模型的求解计算，是由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算，用监控参数最大不平衡力对求解过程进行监测，达到收敛条件终止计算，并对开挖每一步的模型求解状态进行保存，得到每一步开挖的水平应力和垂直应力分布剖面图以及模型的塑性破坏区域图。

9.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(8)中，需要在建立的三维采场数值模型煤层开挖工作面进风巷和回风巷均为矩形巷道和联络巷为矩形巷道。

附图：

图1本发明方法流程图。

图2正交法确定充填材料最佳配比图。

图3采场平面地质模型概念图。

图4三维采场数值模型。

图5工作面煤层开挖、回风巷、联络巷开挖平面图。

图6密闭墙构筑数值模型。

图7(a)不同工况下密闭墙最大垂直应力模拟结果图；

图7(b)不同工况下密闭墙最大垂直位移模拟结果图；

图7(c)不同工况下密闭墙破坏类型模拟结果图；

图7(d)不同工况下密闭墙破坏体积模拟结果图；

图7(e)不同工况下密闭墙破坏总体比例模拟结果图；

具体实施工况：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，本发明以山西某煤矿煤8#煤层开采对邻近工作面开采的影响为例，如图1，本发明不仅限于该煤矿，具体按照以下步骤实施：

1.确定密闭充填材料最佳配比:

选取水、粉煤灰为基料，水玻璃、熟石灰组合为固化剂，各因素及水平见下表1。采用正交法测定混合浆液的流动度、初终凝时间及固化体的抗压强度，通过直观分析和方差分析确定影响配比材料的主要因素，结合井下实际情况确定密闭充填材料最佳配比。

表1正交法实验因素水平表

2.确定充填材料及岩体力学参数

采用弹性抗压试模制成Φ50mm×100mm的标准抗压试件，常温下静置28天后进行单轴三轴试验，确定力学参数。现场采集各岩层试样，制成Φ50mm×100mm的标准抗压试件后进行单轴三轴试验，确定岩体力学参数。

3.确定联巷密闭墙数值模拟工况：

依据抗剪强度与厚度关系、最大剪应力与厚度关系、弯矩与厚度关系结合FLAC^3D软件进行联巷开挖模拟后得到联络巷顶板上方0.5处(因密闭墙掏槽深度为0.5m)支承压力的分布规律及顶板沉降规律，经计算得到密闭墙初步修建工况，见下表2(山西某矿为例)。

表2密闭墙构筑工况

4.建立采场工作面力学概念模型

根据工作面煤层开采的实际情况，建立邻近工作面开采影响下采场三维力学概念模型，回采工艺综放开采，工作面沿倾向方向依次为巷道煤柱，上顺槽，回采工作面，下顺槽，巷道煤柱；本次模拟所选煤层埋深设置为110m，模型顶部上覆岩层的重量以加载垂直荷载的方式进行替代，为更精确地反应采动压力对密闭墙的影响，模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动。

建立数值模拟力学模型包括以下步骤：

①通过ANSYS软件建立三维几何模型并划分计算网格；建立的长方体几何模型分别选取x(走向)方向300m、y(巷道走向)方向140m、z(高)方向110m作为数值模拟解算范围。三维模型共划分有11万个三维单元，共13万个节点，划分好网格后，采用插件ANSYS-to-flac3d将网格文件导入FLAC3D软件中；

②选取力学材料模型为FLAC^3D中莫尔一库仑Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏：

(公式1)

式中，σ₁、σ₃分别是最大和最小主应力，c，分别是粘结力和摩擦角。当f_s>0时，材料将发生剪切破坏；

③按照力学材料模型所要求的材料参数对材料模型赋予材料参数，对于摩尔一库伦本构模型所选的材料参数包括：弹性模量，K；内聚力，c；内摩擦角，抗拉强度，σ₁；泊松比等。这些数据依照步骤(2)所得，若数值模拟的材料参数与试验实测参数并不完全一致，则需对试验参数进行公式换算，将其调整与数值模拟的材料参数一致，本样例所用的材料力学参数数据如表2、表3所示。

表3岩体力学参数表

表4最佳粉煤灰充填材料力学参数表

④加载及设置边界条件和初始条件，在本模型初始条件岩体外部不施加任何力，仅仅是岩体自身重力，设置重力加速度-9.8m/s²，模型顶部等效载荷为应力边界，上部施加7.5MPa垂直应力。下部边界为位移边界，底部为固支，x、y方向速度为0；两侧边界为位移边界，x方向速度设为0。

5.力学模型的初始平衡状态求解计算

包括设置监控变量、求解和结果分析三个步骤:

①由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算，在迭代过程中通过监控参数变化来判断分析是否正确，模型是否与实际相符，计算是否收敛；本模型监控两个参数，一个是点(300,140,110)在Z方向的位移迭代变化，另一个是模型中最大不平衡力，如果最大不平衡力小于设定值，说明记录的位移变成常数，达到平衡状态；

②模型初始化平衡状态准备就绪后，由FLAC^3D采用显式的时间步动态求解，设置最大不平衡力为50N，一旦小于此值，则求解过程终止；

③在FLAC^3D程序中保存初始平衡状态下的力学模型，得到垂直应力分布剖面图，通过垂直应力分布剖面图得出：初始平衡状态下，竖直方向的应力由自重应力和未参加模拟岩层转化的荷载产生，随着岩体埋藏深度的增加，竖直应力呈线性增加。

6.煤层、联巷、回风巷开挖模型求解；

①设置模型开挖煤层，从模型右距离邻近工作面停采线100m处开始回采，每次推进l0m，共采6步推进60m；②在开挖前，先将由步骤(3)求解所得的模型的初始平衡状态进行保存，以便将来恢复；为了完成开挖，只需在FLAC^3D程序中将相应网格体的材料模型设置成空模；③进行开挖模型的求解计算，是由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算，用监控参数最大不平衡力对求解过程进行监测，达到收敛条件终止计算，并对开挖每一步的模型求解状态进行保存，得到每一步开挖的水平应力和垂直应力分布剖面图以及模型的塑性破坏区域图。联络巷为矩形巷道，宽×高＝3.8m×3m。在开挖前，先将上一步求解所得的模型的初始平衡状态进行保存，以便将来恢复；为了完成开挖，只需在FLAC^3D程序中将相应网格体的材料模型设置成空模型(null)，然后将模型中所有网格节点的位移清零。

7.求解结果分析

分为各工况密闭墙垂直应力分布及塑性破坏区和密闭墙的变形破坏情况；

①所述的不同工况密闭墙的应力分布主要垂直应力分布图，见图7(a)，当密闭墙体距离巷道交叉处5m时，随着密闭墙厚度均匀增大，最大应力值逐渐变大。密闭墙厚度每增加0.5m，最大垂直应力平均增加4×10⁵Pa。一方面由于密闭墙距离交叉点距离较近，巷道口叠加应力较大；另一方面密闭墙增大厚度的部分越大，受到联巷顶板压力较小。当密闭墙体距离巷道交叉处10m时，在巷道交叉处叠加应力及联巷顶板压力共同作用下，密闭墙体内垂直应力较距交叉点5m时小；随着密闭墙厚度增大，最大应力值逐渐增大。密闭墙厚度每增加0.5m，最大垂直应力平均增加4.1×10⁵Pa。当密闭墙体距离巷道交叉处15m时，密闭墙体内垂直应力较距交叉点10m时小；随着密闭墙厚度增大，最大应力值逐渐增大。当密闭墙厚度一定时，随着墙体距巷道交叉口距离的不断增加，密闭墙体内部垂直应力逐渐减小，10m以后，密闭墙体因受到8612工作面采动影响，密闭墙体产生不同程度的塑性破坏，至工作面距离越小，密闭墙体塑性破坏越小，墙体内垂直应力降低，当距离巷道交叉处15m时，密闭墙体内平均垂直应力降低至13.9MPa；当密闭墙厚度达到4.9时，距离交叉口15m时，垂直应力最大值降低至13.5MPa，因此，密闭墙存在合理厚度和位置。

②所述的不同工况密闭墙的位移分布主要垂直位移分布图，见图7(b)，当密闭墙体距离巷道交叉处5m时，随着密闭墙厚度增大，最大变形量逐渐增大。密闭墙厚度每增加0.5m，最大垂直变形量平均增加0.005m。一方面由于密闭墙距离交叉点距离较小，巷道口叠加应力作用较明显；另一方面密闭墙增大厚度越大，受到临近工作过面开采的影响也变大。当密闭墙体距离巷道交叉处10m时，由于受到巷道交叉处较小的叠加应力及临近开采的影响，密闭墙体内垂直变形量较距交叉点5m时小；随着密闭墙厚度增大，最大位变形量逐渐增大。密闭墙厚度每增加0.5m，最大垂直变形量平均增加0.0051m。在密闭墙体距离巷道交叉处15m，由于受到巷道交叉处较小的叠加应力及临近开采较大影响，密闭墙体内垂直变形量较距交叉点10m时小；随着密闭墙的厚度均匀增大，垂直方向最大位移值逐渐增大。当密闭墙厚度一定时，至交叉处距离的增大，密闭墙体内部垂直变形量逐渐减小，10m以后，密闭墙体因受到8612工作面采动影响，密闭墙体产生不同程度的塑性破坏，至工作面距离越小，密闭墙体塑性破坏越小，墙体内垂直变形量减小，当距离巷道交叉处15m时，密闭墙体内平均垂直变形量降低至0.067m；当密闭墙厚度达到4.9时，距离交叉口15m时，垂直变形量最大值降低至0.065m，因此，密闭墙存在合理厚度和位置，可能为当密闭墙距离交叉点处15m，厚度为4.4m或4.9m。

③所述的不同工况密闭墙的塑性破坏区见图7(c)，由于受到巷道交叉口处应力叠加及临近工作面开采的双重影响，不同工况下密闭墙破坏类型有三种，分别为：拉伸、拉剪和剪切。表明了密闭墙的位置和厚度是造成密闭墙破坏的两大因素。且随着密闭墙厚度与位置的变化，密闭墙各破坏类型及比例差异较大；但不同破坏区集中范围和区域差异不大，拉伸破坏主要集中在密闭墙沿着巷道走向与两帮接实处，这是由于受矩形巷道集中应力的影响，巷道角部应力较大，作用在密闭墙上的应力也随之增加，使得密闭墙角部变形较其他部位严重，当墙体变形量超过其抗拉强度后，便发生拉伸破坏；墙体中下部分多为剪切破坏，由于墙体接顶密实，裂隙不易贯通。当密闭墙厚度一定时，与巷道交叉口距离越大，密闭墙总破坏范围逐渐减小。图7(d)、7(e)受巷道集中应力和临近开采压力的影响，不同工况下密闭墙均有一定破坏，最小破坏比例达到55％。当密闭墙体距离巷道交叉处5m时，随着密闭墙厚度增大，破坏比例值逐渐增大。密闭墙厚度每增加0.5m，破坏比例平均增大1.87％。一方面由于密闭墙距离交叉点距离较近；另一方面密闭墙增大厚度的部分越大，受到临近工作过面开采的影响也变大。当密闭墙体距离巷道交叉处10m时，由于受到巷道交叉处较小的叠加应力及临近开采的影响，密闭墙体内破坏比例较距交叉点5m时小；随着密闭墙厚度增大，破坏比例逐渐减小。密闭墙厚度每增加0.5m，破坏比例平均减小1.88％。在密闭墙体距离巷道交叉处15m，由于受到巷道交叉处较小的叠加应力及临近开采的影响，密闭墙体内垂直应力较距交叉点10m时小；随着密闭墙厚度增大，最大应力值逐渐增大。当密闭墙厚度一定时，至交叉处距离的增大，密闭墙体内破坏比例缓慢减小，10m以后，密闭墙体因受到8612工作面采动影响，密闭墙体产生不同程度的塑性破坏，至工作面距离越小，密闭墙体塑性破坏越严重，墙体内破坏比例降低，当距离巷道交叉处15m时，密闭墙体内破坏比例降低至61.08％；当密闭墙厚度达到4.9时，距离交叉口15m时，密闭墙破坏比例降低至55.63％。由此可知，联络巷密闭墙受力和破坏与位置和厚度有关，且存在最佳位置和合理厚度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)利用正交法确定密闭充填材料的最佳配比；

(2)根据步骤(1)的配比，采用单轴、三轴压缩试验确定岩体及充填材料的力学参数；

(3)结合步骤(2)力学参数，依据理论推导及力学分析初步估算联巷密闭墙构筑的可能工况；

(4)根据实际工作面地质概况，建立三维采场数值模型并设定边界条件和初始条件，定义相应的材料力学参数；

(5)对步骤(4)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(6)进行煤层开挖工作；

(7)对步骤(6)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(8)进行回风巷、联络巷开挖工作；

(9)对步骤(8)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算；

(10)依照步骤(3)中的可能工况进行模拟计算；

(11)对步骤(10)所建立的力学模型进行初始平衡状态求解计算。

2.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(1)中填充材料选取水、粉煤灰为基料，水玻璃、熟石灰组合为固化剂。

3.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，基于步骤(1)的最佳配比，采用弹性抗压试模确定力学参数；现场采集各岩层试样，进行单轴三轴试验，确定岩体力学参数。

4.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，依据抗剪强度与厚度关系、最大剪应力与厚度关系、弯矩与厚度关系结合FLAC^3D软件进行联巷开挖模拟后得到联络巷顶板表面支承压力的分布规律及顶板沉降规律，得到密闭墙初步修建工况。

5.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，所述三维力学模型包括工作面和回采工作面，工作面沿倾向方向依次为巷道煤柱、上顺槽、回采工作面、下顺槽、巷道煤柱。

6.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述建立数值模拟力学模型包括以下步骤：

S41通过ANSYS软件建立三维几何模型并划分计算网格；采用插件ANSYS-to-flac3d将网格文件导入FLAC3D软件中；

S42选取力学材料模型为FLAC^3D中莫尔一库仑Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏：

其中，σ₁、σ₃分别是最大和最小主应力，c，分别是粘结力和摩擦角；

S43确定摩尔一库伦本构模型所选的材料参数：弹性模量，K；内聚力，c；内摩擦角，抗拉强度，σ₁；泊松比；调整与数值模拟的材料参数一致；

S44加载及设置边界条件和初始条件。

7.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述的力学模型的初始平衡状态求解计算包括设置监控变量、求解和结果分析三个步骤，具体如下：

S51由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算；

S52模型初始化平衡状态下由FLAC^3D采用显式的时间步动态求解；

S53在FLAC^3D程序中保存初始平衡状态下的力学模型，得到垂直应力分布剖面图。

8.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的煤层开挖工作包括进行煤层开挖和对开挖的模型求解；

S61设置模型开挖煤层，从模型右距离邻近工作面停采线100m处开始回采，每次推进l0m，共采6步，推进60m；

S62在开挖前，先将由步骤(3)求解所得的模型的初始平衡状态进行保存；

S63进行开挖模型的求解计算，是由FLAC^3D程序采用显式有限差分计算方法进行迭代计算，用监控参数最大不平衡力对求解过程进行监测，达到收敛条件终止计算，并对开挖每一步的模型求解状态进行保存，得到每一步开挖的水平应力和垂直应力分布剖面图以及模型的塑性破坏区域图。

9.根据权利要求1所述的一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，其特征在于，在步骤(8)中，需要在建立的三维采场数值模型煤层开挖工作面进风巷和回风巷均为矩形巷道和联络巷为矩形巷道。