CN110397470B - 一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，包括现场观测巷道变形和煤柱裂隙分布特征，构建UDEC‑Trigon数值模型匹配现场情况确定模型参数，反演不同煤柱宽度内部裂隙的演化规律，基于裂隙演化贯通确定合理煤柱宽度，最后提出高预应力锚杆锚索技术控制煤柱稳定五个步骤。本发明采用损伤因子对裂隙演化贯通进行量化评定，最终确定最佳的沿空掘巷窄煤柱合理宽度，可确保煤柱在服务期间内部裂隙不贯通，在稳定承载的同时可有效隔离采空区瓦斯。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法。
背景技术
煤柱可以承载上覆岩层阻止地表下沉、隔离采空区的水和有害气体，以及维护回采巷道稳定，在煤矿开采中起到关键的作用。沿空掘巷是沿着采空区边缘掘进巷道，留设5～10m的窄煤柱来维持巷道稳定。尽管屈服煤柱在井下成功的应用，但并未形成统一的煤柱宽度设计原则。
煤矿井下的煤柱并不是天然存在的，而是在采掘活动过程中形成的，随后经历工作面回采的影响。以往的研究都是以弹塑性理论和极限平衡理论为基础，将煤柱当成一种均质材料来分析煤柱内的应力分布、塑性区和弹性区宽度，以及承载能力的大小，与实际情况有较大的差异；传统的数值模拟也多以摩尔库伦和应变软化等本构模型来研究煤柱的宏观破坏，并不能揭示裂隙扩展对煤柱破坏的本质作用。过宽的煤柱不仅会造成煤炭资源的浪费，也会给影响巷道开掘效率；而过窄的煤柱则会有可能引起裂隙贯通，引起安全事故。目前，设计煤柱宽度时不考虑内部裂隙扩展，如果窄煤柱内裂隙贯通，在高瓦斯矿井中采用负压通风时可能会导致采空区瓦斯进入沿空巷道中，引起瓦斯超限，安全性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，通过本方法能够合理准确地确定煤柱宽度，提高煤炭开采率的同时，有效隔离采空区瓦斯，安全可靠。
为了实现上述目的，本发明提出的一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，包括以下步骤：
S1，现场观测巷道变形和煤柱裂隙分布特征：在沿空掘巷过程中紧跟掘进工作面采用布置巷道表面位移观测站，测量并记录巷道顶底板移近量和两帮移近量，观测的周期为每天一次；巷道掘出以后在窄煤柱内探测裂隙分布特征，钻孔深度要小于煤柱宽度1m；
S2，构建UDEC-Trigon数值模型匹配现场情况确定模型参数：利用UDEC离散元软件中的Trigon三角块体模块建立数值模型，模型中的岩层分布、巷道布置和开挖顺序与现场地质条件和生产情况相一致；模拟沿空掘巷巷道开挖后，监测巷道的顶底板变形量、两帮移近量和煤柱内裂隙演化特征，采用试错的方法调整模型参数进行迭代计算，使模拟结果与步骤S1中记录的现场观测数据相匹配，由此确定合理的模型参数；
S3，反演不同煤柱宽度内部裂隙的演化规律：利用步骤S2建立的数值模型和确定的参数，研究不同煤柱宽度下沿空掘巷时煤柱内部的裂隙演化特征和分布规律；记录掘巷过程中煤柱内部剪切裂隙和张拉裂隙的演化规律，并采用损伤因子对裂隙演化贯通进行量化评定，由此确定不同宽度煤柱的损伤程度；
S4，基于裂隙演化贯通确定合理煤柱宽度：对比分析不同宽度煤柱内裂隙的数量、裂隙的种类、裂隙分布特征、裂隙的贯通情况和煤柱的损伤程度，煤柱的损伤程度利用损伤因子D来评价，提出损伤因子D＝35％作为损伤程度的评价指标，确定低损伤区宽度，据此确定合理的煤柱宽度；
S5，提出高预应力锚杆锚索技术控制煤柱稳定：基于步骤S4确定的煤柱宽度和相应的裂隙演化规律，提出相对应的高预应力锚杆锚索技术控制技术。
进一步的，步骤S4中，损伤因子D具体的计算表达式为：
式中：LC是煤柱内总的裂隙长度，m；LS是剪切裂隙总长度，m；LT是张拉裂隙的总长度，m。
进一步的，根据本发明的一个实施例，步骤S1中，在沿空掘巷过程中紧跟掘进工作面采用十字交叉布点的方法布置巷道表面位移观测站，利用卷尺测量并记录巷道顶底板移近量和两帮移近量，观测的周期为每天一次；巷道掘出以后采用矿用钻孔窥视仪在窄煤柱内探测裂隙分布特征，钻孔深度要小于煤柱宽度1m。
优选的，根据本发明的一个实施例，步骤S1中，十字交叉布点法是在巷道顶底板中部垂直方向和两帮水平方向施工
深380mm的孔，将
长400mm的木桩打入孔中，在木桩端部安设弯形测钉，利用卷尺测量并记录每天的巷道顶底板移近量和两帮移近量。
优选的，根据本发明的一个实施例，步骤S3中，研究煤柱宽度为4m、7m、8m、10m、12m、16m和20m的7种情况下沿空掘巷时煤柱内部的裂隙演化特征和分布规律，记录掘巷过程中煤柱内部剪切裂隙和张拉裂隙的演化规律，并采用损伤因子对裂隙演化贯通进行量化评定，由此确定不同宽度煤柱的损伤程度。
本发明的有益技术成果：采用裂隙数量和损伤因子对煤柱内裂隙的演化规律进行量化评定，最终确定沿空掘巷窄煤柱合理宽度，可确保煤柱在服务期间内部裂隙不贯通，在稳定承载的同时可有效隔离采空区瓦斯。因此，本发明提出的沿空掘巷窄煤柱宽度确定方法填补了目前不考虑煤柱隔离性的空白，通过本方法能够合理准确地确定煤柱宽度，提高煤炭开采率的同时，有效隔离采空区瓦斯，为实现安全高效回采提供保障。
附图说明
图1为15106工作面布置平面图；
图2为15106工作面综合柱状图；
图3为15106回风巷围岩变形情况；
图4为窄煤柱内不同位置钻孔窥视照片；
图5为数值模型示意图；
图6为模拟7m煤柱破坏情况；
图7为不同宽度煤柱内剪切裂隙演化规律；
图8为不同宽度煤柱内张拉裂隙演化规律；
图9为不同宽度煤柱内的损伤分布特征；
图10为不同宽度煤柱内的裂隙分布特征；
图11为优化煤柱宽度后的围岩变形量；
图12为本发明分析方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当说明，以下实施例仅用于对本发明的说明，并不限定本发明。
一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，根据图12所示，包括以下步骤：
S1，现场观测巷道变形和煤柱裂隙分布特征：在沿空掘巷过程中紧跟掘进工作面采用十字交叉布点的方法布置巷道表面位移观测站，利用卷尺测量并记录巷道顶底板移近量和两帮移近量，观测的周期为每天一次；巷道掘出以后采用矿用钻孔窥视仪在窄煤柱内探测裂隙分布特征，钻孔深度要小于煤柱宽度1m；
为了达到良好的观测效果，十字布点法是在巷道顶底板中部垂直方向和两帮水平方向施工
深380mm的孔，将
长
的木桩打入孔中，在木桩端部安设弯形测钉。
S2，构建UDEC-Trigon数值模型匹配现场情况确定模型参数：利用UDEC离散元软件中的Trigon三角块体模块建立数值模型，模型中的岩层分布、巷道布置和开挖顺序与现场地质条件和生产情况相一致；模拟沿空掘巷巷道开挖后，监测巷道的顶底板变形量、两帮移近量和煤柱内裂隙演化特征，采用试错的方法调整模型参数进行迭代计算，使模拟结果与步骤S1中记录的现场观测数据相匹配，由此确定合理的模型参数；
S3，反演不同煤柱宽度内部裂隙的演化规律：利用步骤S2建立的数值模型和确定的参数，研究煤柱宽度为4m、7m、8m、10m、12m、16m和20m的7种情况下沿空掘巷时煤柱内部的裂隙演化特征和分布规律；记录掘巷过程中煤柱内部剪切裂隙和张拉裂隙的演化规律，并采用损伤因子对裂隙演化贯通进行量化评定，由此确定不同宽度煤柱的损伤程度；
S4，基于裂隙演化贯通确定合理煤柱宽度：对比分析不同宽度煤柱内裂隙的数量、裂隙的种类、裂隙分布特征、裂隙的贯通情况和煤柱的损伤程度，煤柱的损伤程度利用损伤因子D来评价，提出损伤因子D＝35％作为损伤程度的评价指标，确定低损伤区宽度，据此确定合理的煤柱宽度；
损伤因子D具体的计算表达式为：
式中：LC是煤柱内总的裂隙长度，m；LS是剪切裂隙总长度，m；LT是张拉裂隙的总长度，m。
S5，提出高预应力锚杆锚索技术控制煤柱稳定：基于步骤S4确定的煤柱宽度和相应的裂隙演化规律，提出相对应的高预应力锚杆锚索技术控制技术。
下面结合实施例，再次对本发明提出的一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法进行说明。
工程背景：某矿15106工作面主采15#煤层，设计采用大采高一次采全厚的采煤方法，工作面埋深平均574m，平均厚度为5.5m，煤层倾角0°～12°，煤层硬度f＝1.5，节理裂隙发育。15106工作面回风巷沿15108采空区边缘留设7m宽煤柱沿空掘巷，全长约1700m，巷道沿煤层顶板随层掘进，掘进断面为宽×高：4.8m×4.0m，巷道布置如图1所示。煤层直接顶为厚6.3m的黑色泥岩，老顶为厚7.0m的粉砂岩，直接底为厚1.0m的砂质泥岩，老底为6.0m厚的泥岩，综合柱状图如图2所示。
1)对沿空掘巷变形现场观测。
巷道变形特征：15106回风巷在掘进1000m范围内，顶板和两帮采用锚杆支护。掘进队组人员从距离巷口100m开始，每隔30m布置一个巷道表面位移观测站，巷道变形采用十字布点法进行观测。图3为15106回风巷距离巷口100m-1000m范围内的巷道变形量(已达到稳定)。由图3可知，掘进期间巷道变形较大，表现出明显的非对称变形特征。综合分析，沿空巷道变形有以下特点：(1)两帮移近量大于顶板下沉量。顶底板移近量最大为860mm，两帮移近量最大达到1460mm；顶底板平均移近量为232mm，两帮平均移近量为568mm，两帮移近量约为顶板下沉量的2.5倍，巷道整体出现非对称变形。(2)煤柱帮变形量大于实煤体帮变形量。煤柱帮的移近量最大为920mm，实煤体帮移近量最大为580mm；煤柱帮平均移近量为331mm，实煤体帮平均移近量为237mm，煤柱帮移近量约为实煤体帮移近量的1.4倍，窄煤柱帮成为重点防控的对象。
煤柱破坏钻孔窥视：15106回风巷沿空掘巷后，在煤柱帮距离底板2m位置处施工水平探测孔，钻孔直径29mm，长度为4m。采用中国矿业大学研制生产的YTJ20型钻孔窥视仪对窄煤柱帮进行观测，窥视结果如图4所示。由图4可知，在观测的4m范围内都出现大量的环形贯通裂隙和竖向裂隙，靠近煤柱帮部的煤体已经发生破坏，成为破碎区，出现塌孔的现象。煤柱的另一侧为采空区，无法采用钻孔窥视仪进行观测，但是根据钻孔窥视结果推断，煤柱靠近采空区侧的破坏程度应该与巷道侧类似或者更加严重。因此，我们可以确定15106回风巷在巷道掘进后，煤柱内部裂隙发育，整个煤柱已经发生破坏。
2)利用数值软件模拟分析
模型建立：根据15106工作面的地质条件，采用UDEC6.0软件建立模型，采用UDECTrigon模块对煤柱和巷道周边区域划分三角块，如图5所示。煤柱区域三角块长度为0.2m，巷道周边煤层区域三角块长度为0.4m，煤层直接顶和直接底区域三角块长度为0.5m。在研究区域以外的区域划分为块体长度不断增大的矩形块体，例如1.1m、2m和7m。这种块体尺寸划分方式能够有效地模拟煤柱的力学行为。巷道围岩采用Mohr-Coulomb本构模型。
模型参数校正：根据实验室单轴压缩和巴西劈裂得到的抗压强度和抗拉强度实验数据，利用UDEC Trigon模块建立宽2m高4m的小模型进行一系列的单轴压缩和巴西劈裂数值模拟实验，利用试错法不断的调整参数，使数值模拟得到的抗压强度和抗拉强度的数值与实验室得到的数值相匹配。进一步，将参数带入大模型中不断调整，模拟煤柱的破坏程度与现场情况相一致，如图6所示。最终，确定模型的参数。
模拟计划：工作面回采和巷道开挖总共分为4步。第一步：模型在原岩应力作用下整体运算平衡；第二步：开采15108工作面；第三步：掘进15106回风巷；第四步：7种不同的煤柱宽度的方案(4m、7m、8m、10m、12m、16m和20m)进行模拟。
模拟结果分析：煤柱在形成过程中分为15108工作面回采和15106回风巷开挖两个阶段，因此分成2个阶段进行分析。不同宽度煤柱内的裂隙演化规律和分布特征如图7和图8所示。
由图7和图8可知，侧向煤体内的裂隙随着采空区岩层的垮落不断的增加，裂隙的扩展可分为剧烈增加阶段，线性增加阶段和稳定阶段。在开掘15106回风巷之前，侧向不同范围煤体内的剪切裂隙和张拉裂隙几乎相同，说明煤体的破坏只发生在4m范围内。第二阶段，15106回风巷掘进后，不同宽高比的煤柱内裂隙再一次开始增加最终达到稳定。综合分析，剪切裂隙的数量大于张拉破坏数量，说明煤柱破坏以剪切破坏为主。当煤柱宽高比W/H＜1时，拉裂隙数量大于间裂隙，煤柱破碎丧失承载能力，当煤柱宽高比W/H＜3时，剪切裂隙和张拉裂隙随着宽高比的增加而增加，当宽高比W/H＞3时，剪切裂隙和张拉裂隙随宽高比的增大而减小，宽高比为3时，煤柱内的裂隙数量达到最大。
不同宽度煤柱内的损伤分布如图9所示。由图9可知煤柱内的损伤主要出现在煤柱的两侧(采空区侧和巷道侧)，损伤从两侧向中间逐渐减小呈“U”型分布。利用D＝35％作为区别损伤程度大小的特征值，当煤柱W/H≤2(煤柱宽度≤8m)时，煤柱整体的损伤较大成为高损伤区域(HDA)(D＞35％)。当煤柱宽高比W/H≥2.5(煤柱宽度≥10m)时，煤柱的中间存在低损伤区(LDA)(D＜35％)，随着煤柱宽高比的增加，低损伤区的范围增加。
不同宽度煤柱内的裂隙分布特征如图10所示。由图10可知，当煤柱宽度W＝4m时，煤柱已经完全破坏近似于散体，拉破坏起主要作用，裂隙完全贯通整个煤柱。当煤柱W＝7m和W＝8m时，煤柱成为高损伤区，煤柱内部的节理产生剪切或滑移破坏，靠近煤柱边缘位置是拉破坏为主，中间位置以剪破坏为主。当煤柱宽度由W＝10m增加到W＝20m时，煤柱中间出现“X”型的低损伤区，随着煤柱宽度的增加低损伤区的范围从4m增加到14m，同时两侧出现“U”型的高损伤区，靠采空区侧宽4m，巷道侧宽2m。低损伤区的范围越大，煤柱的稳定性就越大，煤柱的承载能力越大。而且煤柱中间的非裂隙贯通区可以有效隔离采空区瓦斯。
3)基于上述分析，确定15106回风巷合理的煤柱宽度为10m。
4)现场工程实践。
煤柱稳定性控制原则：根据煤柱的损伤规律和变形破坏特征，应该遵循以下的支护原则：(1)巷道掘出后进行及时主动支护，充分调动围岩自身的承载能力；(2)采用高强度和高延伸率的锚杆，并配合锚索、钢带和金属网支护，锚杆控制浅部的破碎围岩，锚索阻止深部围岩离层；(3)高预应力控制煤柱浅部破碎岩体由于剪切滑移产生的非连续变形。采用大功率气动扳手，扭矩扩大器和扭矩扳手提高锚杆的预应力；(4)选择护表能力高的支护配件，增加预应力扩散范围,控制围岩表面裂隙的进一步扩张。在煤柱帮采用锚杆钢带托盘，锚索采用高强度碟型托盘，采用钢筋梯子梁将锚杆和锚索连接成整体；(5)窄煤柱帮采用注浆加固，提高浅部破碎煤体的力学性能。
应用效果分析：依据上述确定的煤柱宽度和支护原则，在15106回风巷最后掘进的600m将煤柱宽度扩大到10m，并采用新的支护参数。采用新的支护参数以后，掘进期间的巷道变形如图11所示。巷道变形在距离掘进工作面140m后达到稳定，顶底板移近量最大为216mm，两帮移近量最大为285mm，相比更改支护参数之前降低了78.9％和80.5％。现场观测的结果证明了采用10m煤柱和新的支护方式能够有效控制巷道变形，为下一个工作面巷道支护和煤柱设计提供借鉴。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出进一步优化，这些优化方案也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，现场观测巷道变形和煤柱裂隙分布特征：在沿空掘巷过程中紧跟掘进工作面采用布置巷道表面位移观测站，测量并记录巷道顶底板移近量和两帮移近量，观测的周期为每天一次；巷道掘出以后在窄煤柱内探测裂隙分布特征，钻孔深度要小于煤柱宽度1m；
S2，构建UDEC-Trigon数值模型匹配现场情况确定模型参数：利用UDEC离散元软件中的Trigon三角块体模块建立数值模型，模型中的岩层分布、巷道布置和开挖顺序与现场地质条件和生产情况相一致；模拟沿空掘巷巷道开挖后，监测巷道的顶底板变形量、两帮移近量和煤柱内裂隙演化特征，采用试错的方法调整模型参数进行迭代计算，使模拟结果与步骤S1中记录的现场观测数据相匹配，由此确定合理的模型参数；
S3，反演不同煤柱宽度内部裂隙的演化规律：利用步骤S2建立的数值模型和确定的参数，研究不同煤柱宽度下沿空掘巷时煤柱内部的裂隙演化特征和分布规律；记录掘巷过程中煤柱内部剪切裂隙和张拉裂隙的演化规律，并采用损伤因子对裂隙演化贯通进行量化评定，由此确定不同宽度煤柱的损伤程度；
S4，基于裂隙演化贯通确定合理煤柱宽度：对比分析不同宽度煤柱内裂隙的数量、裂隙的种类、裂隙分布特征、裂隙的贯通情况和煤柱的损伤程度，煤柱的损伤程度利用损伤因子D来评价，提出损伤因子D＝35％作为损伤程度的评价指标，确定低损伤区宽度，据此确定合理的煤柱宽度；
S5，提出高预应力锚杆锚索技术控制煤柱稳定：基于步骤S4确定的煤柱宽度和相应的裂隙演化规律，提出相对应的高预应力锚杆锚索技术控制技术。
2.根据权利要求1所述的一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，其特征在于，步骤S4中，损伤因子D具体的计算表达式为：
式中：LC是煤柱内总的裂隙长度，m；LS是剪切裂隙总长度，m；LT是张拉裂隙的总长度，m。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，其特征在于，步骤S1中，在沿空掘巷过程中紧跟掘进工作面采用十字交叉布点的方法布置巷道表面位移观测站，利用卷尺测量并记录巷道顶底板移近量和两帮移近量，观测的周期为每天一次；巷道掘出以后采用矿用钻孔窥视仪在窄煤柱内探测裂隙分布特征，钻孔深度要小于煤柱宽度1m。
4.根据权利要求3所述的一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，其特征在于，步骤S1中，十字交叉布点法是在巷道顶底板中部垂直方向和两帮水平方向施工
mm、深380mm的孔，将
长400mm的木桩打入孔中，在木桩端部安设弯形测钉，利用卷尺测量并记录每天的巷道顶底板移近量和两帮移近量。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于裂隙演化的沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定方法，其特征在于，步骤S3中，研究煤柱宽度为4m、7m、8m、10m、12m、16m和20m的7种情况下沿空掘巷时煤柱内部的裂隙演化特征和分布规律，记录掘巷过程中煤柱内部剪切裂隙和张拉裂隙的演化规律，并采用损伤因子对裂隙演化贯通进行量化评定，由此确定不同宽度煤柱的损伤程度。
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