CN111723421A - 一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其可视化反演随工作面推进巷旁充填体内裂隙演化过程，基于裂隙演化机制和巷旁充填体区域及整体损伤度确定合理宽度，保障巷旁充填体有效承载的同时有效隔离采空区瓦斯，安全可靠，填补了目前不考虑巷旁充填体隔离作用且无法可视化反演损伤过程的空白，通过本方法能够合理准确地确定巷旁充填体宽度，有效控制巷道围岩变形，使断面能够满足通风和瓦斯排放要求，为实现安全高效生产提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法。
背景技术
巷旁充填体能够切断足以充满采空区的顶板岩层，使巷道处于低应力区中，改善巷道维护状况，同时布置合理的充填体能够隔离采空区，防止有害气体渗透入巷道内。沿空留巷是指本工作面开采时，通过构筑充填体维护保留本工作面的回采顺槽，为下一工作面回采时使用。尽管巷旁充填体在井下成功应用，但仍缺乏统一的巷旁充填体宽度设计原则。
目前关于沿空留巷巷旁充填体的设计多数是从宏观层面对巷旁支护阻力、变形特征、作用机制等充填体的承载作用等方面。普遍采用理论计算、有限元模拟软件计算作为设计手段。然而理论计算需要对现场情况进行建模简化，对于复杂的井下环境通常只能做近似、定性的分析，得到的结果难以有效解决现场问题。理论计算方法通常采用刚性结构模型设计巷旁充填体宽度，以刚性模型表示的巷旁充填体在计算中形状和支护阻力不会改变，这与现场实际情况不符合，计算得出的巷旁充填体宽度的可靠性难以保证。以FLAC3D软件为代表的有限元模拟软件把物理介质视为完全连续体，采用节点或结构单元来表达物理介质的空间形体，忽略了岩石的不连续性质且不能探究充填体内部裂隙的扩张发育情况，只研究了充填体的承载作用，难以保证充填体的隔离作用，具有较大的局限性。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其能够合理准确地确定充填体宽度，保障有效承载的同时，有效隔离采空区瓦斯，安全可靠。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，包括以下步骤：
S1、对矿井地层钻孔获取煤岩芯并记录岩性、岩层分布，将顶底板岩芯、煤层岩芯及巷旁充填体构筑材料制成标准的岩块试样进行单轴压缩实验：测试岩块试样的单轴抗压强度和弹性模量；
S2、建立单轴压缩数值模型，调整不同模型参数进行计算，使模拟结果与步骤S1中测试得到的煤岩体及巷旁充填体构筑材料的单轴抗压强度和弹性模量相匹配，确定合理的模拟参数，依据矿井地层情况和生产情况建立模型并赋予匹配的模拟参数；
S3、可视化反演巷旁充填体内裂隙演化过程：利用步骤S2建立的数值模型和确定的参数，研究随着工作面推进时巷旁充填体应力和内部裂隙演化、分布规律；记录充填体体内裂隙发展的动态过程，建立宏观应力与微观裂隙损伤的关系，绘制裂隙演化过程图，由此实现裂隙演化可视化反演并确定充填体内裂隙演化机制；
S4、基于裂隙演化和巷旁充填体区域及整体损伤度确定合理宽度：基于损伤后充填体的裂隙分布特征和损伤度对充填体进行分区，把低损伤区即屈服承载区B的面积占比作为充填体承载能力和隔离作用的评价指标，据此确定合理的充填体宽度；
S5、基于步骤S4确定的巷旁充填体宽度和相应的裂隙演化规律，提出相对应的对拉锚杆+钢丝网支护技术控制技术来控制巷旁充填体稳定。
优选地，步骤S2中，利用UDEC-Trigon方法建立单轴压缩数值模型，采用试错法调整模型参数进行计算。
优选地，步骤S3中，实时监测巷旁充填体在工作面推进过程中应力、裂隙的演化情况，记录充填体体内裂隙动态显示图，建立应力-裂隙-损伤的联动关系，选取损伤关键结点的充填体裂隙显示图，绘制充填体内裂隙演化过程图，实现裂隙发展过程可视化反演。
优选地，步骤S4中，损伤度计算表达式为：
式中，Lc为巷旁充填体内裂隙总长度，m；Ls为巷旁充填体内剪切裂隙总长度，m；Lt为巷旁充填体内拉伸裂隙总长度，m。
优选地，步骤S4中确定合理宽度的方法为：对比分析不同宽度巷旁充填体内裂隙的数量、种类、分布特征，根据充填体内部不同区域的裂隙发育程度，把损伤后的充填体分为三个区域，主裂隙发育区A，代表屈服承载区B，代表次裂隙发育区C，其中屈服承载区B损伤度最低，较高的屈服承载区B面积占比可有效提高充填体的承载和隔离能力，依据不同宽度巷旁充填体内屈服承载区B面积占比确定合理的巷旁充填体宽度。
本发明的有益效果在于：可视化反演随工作面推进巷旁充填体内裂隙演化过程，基于裂隙演化机制和巷旁充填体区域及整体损伤度确定合理宽度，可保障巷旁充填体有效承载的同时，有效隔离采空区瓦斯，安全可靠。因此，本发明提出的沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法填补了目前不考虑巷旁充填体隔离作用且无法可视化反演损伤过程的空白，通过本方法能够合理准确地确定巷旁充填体宽度，有效控制巷道围岩变形，使断面能够满足通风和瓦斯排放要求，为实现安全高效生产提供保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的煤矿N2105工作面布置图；
图2为本发明实施例提供的煤矿N2105工作面综合柱状图；
图3为本发明实施例提供的煤矿现场工程尺度模型；
图4为本发明实施例提供的充填体宽度为1m时巷道破坏情况模拟效果图；
图5a为本发明实施例提供的充填体位于地下0m时体内裂隙显示图；
图5b为本发明实施例提供的充填体位于地下-10m时体内裂隙显示图；
图5c为本发明实施例提供的充填体位于地下-40m时体内裂隙显示图；
图5d为本发明实施例提供的充填体位于地下-80m时体内裂隙显示图；
图5e为本发明实施例提供的充填体位于地下-100m时体内裂隙显示图；
图6a为本发明实施例提供的充填体宽度为1m时应力及损伤度演化过程；
图6b为本发明实施例提供的充填体宽度为1m时剪切裂隙和拉伸裂隙演化过程；
图6c为本发明实施例提供的充填体宽度为1m时剪切损伤和拉伸损伤演化过程；
图6d为本发明实施例提供的充填体宽度为1m时拉伸损伤和拉伸裂隙演化过程放大图；
图7a为本发明实施例提供的充填体宽度为2m时充填体损伤模拟效果图；
图7b为本发明实施例提供的充填体宽度为2m时充填体损伤分区；
图7c为本发明实施例提供的充填体宽度为3m时充填体损伤模拟效果图；
图7d为本发明实施例提供的充填体宽度为3m时充填体损伤分区。
图8为本发明实施例提供的各宽度充填体损伤统计；
图9为本发明实施例提供的优化宽度后巷道变形量及充填体承载能力；
图10为本发明实施例提供的优化宽度后巷道内瓦斯浓度变化；
图11本发明实施例提供的一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例参见图1-图11，以潞安集团余吾煤矿N2105工作面进风巷沿空留巷为背景，巷道断面为宽×高＝4800mm×3600mm，工作面布置图见图1，图中1为回风巷，2为进风巷。该工作面煤层埋深平均575m，煤层平均厚度6.4m，煤层平均倾角1.5°。煤层直接顶为粉砂岩，厚度为5.2m；基本顶为细砂岩，厚度为6.4m；直接底为2.9m厚的细粒砂岩，基本底由3.2m厚的砂质泥岩组成；综合地质柱状图见图2；
下表为图2中各部分煤层厚度及深度表格：
| 序号 | 厚度/m | 深度/m | 岩性 | 备注 |
| 1 | 20 | 542.8 | 上覆岩层 | |
| 2 | 2.5 | 545.3 | 砂质泥岩 | |
| 3 | 4.2 | 549.5 | 粉砂岩 | |
| 4 | 3.2 | 552.7 | 细砂岩 | |
| 5 | 1.3 | 554.0 | 粉砂岩 | |
| 6 | 3.1 | 557.1 | 细砂岩 | |
| 7 | 6.4 | 563.5 | 粉砂岩 | 老顶 |
| 8 | 5.2 | 568.7 | 细砂岩 | 直接顶 |
| 9 | 6.3 | 575.0 | 煤 | |
| 10 | 2.9 | 577.9 | 细砂岩 | 直接底 |
| 11 | 3.2 | 581.1 | 砂质泥岩 | 老底 |
| 12 | 20 | 601.1 | 下覆岩层 |
使用校正后的参数依据矿井地层情况，生产情况建立如图3所示的模型，并按照模拟计划开展相关模拟。
模拟计划：对模型施加地应力并计算至平衡状态；开挖N2105工作面进风巷并进行支护；留设3种不同的巷旁充填体宽度(1m、2m、3m)开挖N2105工作面进行模拟。
模拟结果分析：宽度为1m的巷旁充填体在N2105工作面开挖过程中完全破坏，以此宽度充填体研究巷旁充填体内裂隙演化过程；以2m和3m宽度巷旁充填体进行损伤分区，研究区域损伤与整体损伤。
参见图4-图5，可得充填体宽度为1m时随工作面推进巷旁充填体内裂隙演化过程。由图5可知当充填体位于-10m时，左上角出现微小的裂隙，随着工作面的推进，左上角的裂隙向中下部扩展并且裂隙张开度越来越大，形成中部主裂隙，充填体左下角出现破坏；当充填体位于-40m时，左上角出现大量的剪切破坏，之后在中部主裂隙的右侧出现两条较小的裂隙，在裂隙的周围分布着拉伸破坏；当充填体位于-80m时，在充填体右下侧1/3处出现明显的拉伸破坏。当充填体位于-100m时，充填体已经达到较高的损伤对同时损伤后的充填体出现渗流通道，失去充填体的隔离作用，使采空区的有害气体渗入到巷道中，危害安全生产。
图6a-图6d为1m巷旁充填体的裂隙发育统计分析。由图可知充填体的峰值强度约为11.2MPa，当应力值达到峰值应力的16％时，充填体开始出现损伤；当充填体位于-40m时，应力值达到峰值应力的72％时，充填体损伤曲线出现拐点，损伤率在50％以上，充填体开始出现明显的破坏。在整个裂隙演化过程中剪切裂隙和剪切破坏在数量上占优势，在充填体-40m处出现明显破坏之前，拉伸裂隙数量和拉伸破坏程度均处于上升阶段，此时拉伸裂隙数量和拉伸破坏程度此时出现拐点，上升速率减小，但大于剪切破坏的上升速率。在-90m时，充填体的应力曲线下降到峰值的20％，充填体破坏严重，失去承载能力。此时充填体中的剪切裂隙变化趋于平缓，但拉伸裂隙仍有继续增长的趋势。由此可见，在充填体裂隙演化整个过程中，虽然剪切裂隙在数量上远远大于拉伸裂隙，但拉伸裂隙的产生、扩展、贯穿的过程是导致充填体破坏的主导因素。
参见图7a-图7d和图8；根据充填体内部不同区域的裂隙发育程度，把破坏后的充填体分为三个区域，A代表主裂隙发育区，B代表屈服承载区，C代表次裂隙发育区。主裂隙发育区A为充填体破坏最严重的部分，大量的拉伸破坏和裂隙分布在这一区域。次裂隙发育区C主要分布在充填体采空区侧，在这一区域内裂隙发育程度较低，没有张开度较大的纵向裂隙。屈服承载区B内的充填体大部分处于屈服状态或弹性状态，损伤程度低，具有较高的承载能力。因此，较高的屈服承载区面积可以有效提高充填的承载能力，进而保证发挥充填体的隔离作用。在图7a-图7d中屈服承载区B内用图示B区矩形区域近似表示该区域的面积，2m宽度的充填体屈服承载区面积占比约为51％，3m宽度的充填体屈服承载区面积占比约为82％。由于1m宽度的充填体裂隙发育，损伤程度高，把1m宽度的充填体全部划分为主裂隙发育区。
从图9的直方图可以看出随着宽度的增加，整体和不同区域的损伤度整体呈下降趋势，从图9中曲线可以看出主裂隙发育区的损伤度最高，主裂隙发育区的损伤度高于整体的损伤度，屈服承载区的损伤度最低。由以上分析可知3m宽度的充填体屈服承载区远大于2m宽度充填体，但是在整体损伤程度和屈服承载区损伤度的差距并不大。因此，较大的屈服承载区面积占比无法有效提升充填体的承载能力，反而较大的充填体宽度会占用煤炭资源，对煤矿经济效益产生一定的影响。基于上述分析，确定N2015回风巷合理的巷旁充填体宽度为2m。
现场应用
支护参数：潞安集团余吾煤矿N2105工作面进风巷采用沿空留巷技术，巷旁支护参数为：采用水灰比为1.5:1的高水材料构筑巷旁充填体，充填体的宽度为2m，在充填体表面铺设金属网。用直径22mm，长2200mm的对拉锚杆对充填体进行支护，提高充填体的承载能力。对拉锚杆的间排距为800×900mm，同时使用Φ16mm钢筋制作的长度为2400mm的钢筋梯子梁进行加固。
效果分析：在N2105工作面推进过程中对沿空留巷巷道进行监测，监测内容为巷道围岩变形情况、巷旁充填体的承载能力、巷道内以及上隅角的瓦斯浓度，监测结果整理后如图9和图10所示。当工作面推过监测站40m后，充填体内应力达到最大，为9.5MPa，当工作面推过监测站80m后，充填体内应力基本稳定在7.8MPa，具有一定的承载能力。工作面推过监测站80m后，巷道围岩变形基本稳定，顶底板移近量约为527mm，两帮移近量约为515mm。在对瓦斯浓度监测期间，上隅角瓦斯浓度在0.5％左右，巷道内的瓦斯浓度在0.35％左右。N2105工作面沿空留巷的断面基本满足了通风和瓦斯排放的要求，监测结果显示充填体宽度的设计是合理可行的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对矿井地层钻孔获取煤岩芯并记录岩性、岩层分布，将顶底板岩芯、煤层岩芯及巷旁充填体构筑材料制成标准的岩块试样进行单轴压缩实验：测试岩块试样的单轴抗压强度和弹性模量；
S2、建立单轴压缩数值模型，调整不同模型参数进行计算，使模拟结果与步骤S1中测试得到的煤岩体及巷旁充填体构筑材料的单轴抗压强度和弹性模量相匹配，确定合理的模拟参数，依据矿井地层情况和生产情况建立模型并赋予匹配的模拟参数；
S3、可视化反演巷旁充填体内裂隙演化过程：利用步骤S2建立的数值模型和确定的参数，研究随着工作面推进时巷旁充填体应力和内部裂隙演化、分布规律；记录充填体体内裂隙发展的动态过程，建立宏观应力与微观裂隙损伤的关系，绘制裂隙演化过程图，由此实现裂隙演化可视化反演并确定充填体内裂隙演化机制；
S4、基于裂隙演化和巷旁充填体区域及整体损伤度确定合理宽度：基于损伤后充填体的裂隙分布特征和损伤度对充填体进行分区，把低损伤区即屈服承载区B的面积占比作为充填体承载能力和隔离作用的评价指标，据此确定合理的充填体宽度；
S5、基于步骤S4确定的巷旁充填体宽度和相应的裂隙演化规律，提出相对应的对拉锚杆+钢丝网支护技术控制技术来控制巷旁充填体稳定。
2.根据权利要求1所述的一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其特征在于，步骤S2中，利用UDEC-Trigon方法建立单轴压缩数值模型，采用试错法调整模型参数进行计算。
3.根据权利要求1所述的一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其特征在于，步骤S3中，实时监测巷旁充填体在工作面推进过程中应力、裂隙的演化情况，记录充填体体内裂隙动态显示图，建立应力-裂隙-损伤的联动关系，选取损伤关键结点的充填体裂隙显示图，绘制充填体内裂隙演化过程图，实现裂隙发展过程可视化反演。
4.根据权利要求1所述的一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其特征在于，步骤S4中，损伤度计算表达式为：
式中，Lc为巷旁充填体内裂隙总长度，m；Ls为巷旁充填体内剪切裂隙总长度，m；Lt为巷旁充填体内拉伸裂隙总长度，m。
5.如权利要求1所述的一种沿空留巷巷旁充填体宽度确定方法，其特征在于，步骤S4中确定合理宽度的方法为：对比分析不同宽度巷旁充填体内裂隙的数量、种类、分布特征，根据充填体内部不同区域的裂隙发育程度，把损伤后的充填体分为三个区域，主裂隙发育区A，代表屈服承载区B，代表次裂隙发育区C，其中屈服承载区B损伤度最低，较高的屈服承载区B面积占比可有效提高充填体的承载和隔离能力，依据不同宽度巷旁充填体内屈服承载区B面积占比确定合理的巷旁充填体宽度。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113153435A (zh) * | 2021-05-17 | 2021-07-23 | 中国矿业大学 | 一种双巷布置系统复采扰动下煤柱加固参数的确定方法 |
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-
2020
- 2020-06-04 CN CN202010498378.4A patent/CN111723421A/zh active Pending
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