CN115062377A - 一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法,通过FLAC3D模拟软件进行数值模型建立，并分别提取传统开采模式、单侧切顶卸压开采模式、双侧切顶卸压开采模式下的模拟数据并进行分析比较，得出切顶卸压采空区全域卸压特性，可以得到巷道顶板和巷旁应力分布以及现场难以监测的采空区内部应力分布，通过对比不同开采模式下水平和垂直方向的卸压范围，得到切顶卸压开采模式下采空区卸压特性，能够搞清楚采空区风流运移和瓦斯运移特性，并根据风流运移规律，掌握工作面与采空区漏风主要区域，从而针对性的进行防漏风封堵。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全开采技术领域，特别涉及一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法。
背景技术
传统长壁采煤法回采一个工作面需要掘进两条顺槽巷道，并留设一个煤柱支撑采空区顶板，因此存在工作面接续紧张和煤柱严重浪费等问题。而传统无煤柱开采技术包括沿空掘巷和沿空留巷两种。沿空掘巷技术虽然提高了煤炭回收率，但是还需要掘进巷道，难以有效解决矿井采掘接替紧张局面。沿空留巷技术虽然减少了巷道掘进量，但在深部煤层开采时巷道难以维护。因此，传统无煤柱开采技术未得到大面积推广。
切顶卸压开采模式回采一个工作面只需掘进一条工作面顺槽(另一条顺槽自动形成)，留设零个煤柱。切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术通过顶板定向预裂切缝技术切断巷道与采空区顶板之间的联系，削弱了二者之间的力学约束，使得采空区顶板在工作面推过后能及时垮落形成巷帮，并进行巷旁挡矸支护，且矸石对上覆岩层形成有效支撑，从而取消了巷旁填充，实现无煤柱开采。与传统开采模式相比，切顶卸压开采技术具有一定的优势。
不同开采模式下采空区顶板的卸压特性势必不同，而卸压特性的差异，必然带来岩层内部应力场和裂隙场的变化，从而改变采空区渗透特性，进而影响采空区内风流运移和瓦斯分布。为此，提出一种切顶卸压开采模式下采空区全域卸压特性的数值模拟研究方法是搞清楚采空区风流运移和瓦斯运移特性的前提。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，为防范切顶卸压开采模式下采空区漏风和精准抽采采空区瓦斯提供基础支撑。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，包括以下步骤：
(1)收集并整理分析矿井资料以及工作面相关地质情况；
(2)根据工作面顶底板岩性参数，采用FLAC3D模拟软件进行数值模型建立；
(3)模拟采用Mohr-Coulomb本构模型，且强度准则公式为：
其中，σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；
为岩石内摩擦角，°； c为内聚力，MPa；当fs＜0时，材料将发生破坏；
(4)在模型的前、后、左、右四个表面均设置水平位移约束边界，同时，下表面设置垂直位移约束边界，而上表面设定为自由边界并均匀施加自重应力；
(5)进行初始地应力平衡，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5；
(6)开挖巷道并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5；
(7)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到传统开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据；
(8)调用步骤(6)计算得到的数据文件，根据切顶高度和角度采用空模型对巷道进行切顶，并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5；
而传统开采模式无需进行此操作；
(9)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，并让采空区顶板进行垮落，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到切顶卸压开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据；
(10)分别提取传统开采模式、单侧切顶卸压开采模式、双侧切顶卸压开采模式下的模拟数据并进行分析比较，得出切顶卸压采空区全域卸压特性。
步骤(1)中，所述矿井资料以及工作面相关地质情况包括：工作面埋深、工作面长度与推进距离、煤层倾角、工作面顶底板岩层分布情况、煤岩体物理力学性质、切顶高度与角度。
所述煤岩体物理力学性质包括岩层厚度、密度、体积模量、剪切模量、内聚力、内摩擦角和抗拉强度。
步骤(9)中，所述模拟数据包括两条巷道顶板应力分布、巷旁应力分布、卸压角、垮落范围和卸压范围。
本发明的有益效果是：
(1)该切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，可以得到巷道顶板和巷旁应力分布以及现场难以监测的采空区内部应力分布，通过对比不同开采模式下水平和垂直方向的卸压范围，得到切顶卸压开采模式下采空区卸压特性，能够搞清楚采空区风流运移和瓦斯运移特性，并根据风流运移规律，掌握工作面与采空区漏风主要区域，从而针对性的进行防漏风封堵；
(2)根据采空区全域卸压特性可以掌握瓦斯在采空区内的主要储存空间，且根据采空区卸压范围，在卸压区确定合理的瓦斯抽采层位，进行卸压瓦斯抽采，提高瓦斯抽采效率；
(3)能够为防范切顶卸压开采模式下采空区漏风和精准抽采采空区瓦斯提供基础支撑，还对保障切顶卸压开采技术安全推广具有重要意义。
附图说明
图1是本发明采用的FLAC3D数值计算模型；
图2是巷旁应力集中变化曲线；
图3是道顶板应力分布曲线；
图4是传统开采模式的采空区卸压角分布图；
图5是单侧切顶卸压开采模式的采空区卸压角分布图；
图6是双侧切顶卸压开采模式的采空区卸压角分布图；
图7是传统开采模式的采空区垂直方向应力分布图；
图8是单侧切顶卸压开采模式的采空区垂直方向应力分布图；
图9是双侧切顶卸压开采模式的采空区垂直方向应力分布图；
图10是采空区卸压范围分布图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
本发明提供了一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，如图1 至图10所示，其步骤如下：
(1)收集并整理分析研究矿井资料与工作面相关地质情况。
所述的矿井资料与工作面地质情况主要包括：工作面埋深、工作面长度与推进距离、煤层倾角、工作面顶底板岩层分布情况、煤岩体物理力学性质、切顶高度与角度；其中煤岩体物理力学性质包括岩层厚度、密度、体积模量、剪切模量、内聚力、内摩擦角和抗拉强度。
(2)根据工作面顶底板岩性参数采用FLAC3D模拟软件进行数值模型建立。
根据工作面长度与推进距离构建FLAC3D模型，在工作面四周要预留一定距离的煤柱用于消除边界效应；根据工作面顶底板岩层分布情况逐层建立模型，根据实际情况确定模型网格尺寸。
(3)模拟采用Mohr-Coulomb本构模型，强度准则公式为：
其中，σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；
为岩石内摩擦角，°； c为内聚力，MPa；当fs＜0时，材料将发生破坏。
(4)基于实测经验和矿压理论，在模型的前、后、左、右四个表面均设有水平位移约束边界，下表面则设有垂直位移约束边界，将模型上表面设定为自由边界并均匀施加了自重应力。
(5)进行初始地应力平衡，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5。
(6)开挖巷道并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5。
(7)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到传统开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据。
(8)调用步骤(6)计算得到的数据文件，根据资料中切顶高度和角度采用空模型对巷道进行切顶，并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5。
(9)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到切顶卸压开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据。
(10)分别提取不同开采模式下模拟数据进行分析比较，其中包括两条巷道顶板应力分布、巷旁应力分布、卸压角、垮落范围和卸压范围，从而得出切顶卸压采空区全域卸压特性；
其中，通过数据提取得到的巷道顶板应力分布曲线和巷旁应力分布曲线，可以比较出在工作面采空区沿走向和倾向方向上应力减小情况，得到采空区沿水平方向的卸压特性；沿采空区中部在倾向方向切片，可以得到采空区卸压角大小，当卸压角越大，说明采空区在垂直方向上卸压越充分，从而得到采空区沿垂直方向上卸压特性；在采空区竖直方向沿顶板高度进行切片，得到采空区垮落程度，垮落程度越大，说明采空区卸压越充分；对垂直方向应力进行提取，低于原岩应力为采空区卸压区域，对数据进行处理绘制成采空区卸压范围图。
针对某矿的12201工作面切顶卸压采空区全域卸压特性进行分析说明如下。
(1)根据收集的矿井资料以及12201工作面地质情况得到12201工作面煤层上、下覆岩层基本参数如表1所示：
表1煤岩层物理力学参数
(2)根据三维直角坐标系来建立12201工作面开采模型，其中规定X、Y、Z方向分别为倾向、走向和重力作用方向。12201工作面为近水平煤层，倾向长320m，工作面推进400m，煤层采高为2m，故模型水平建立，开采范围为 320m×400m×2m。在模型四周分别留设了100m煤柱，消除边界影响。因此，数值模型尺寸建立为长×宽×高＝530m×600m×80m，选取煤层上部58m作为顶板，煤层底部预留20m作为底板，模型如图1所示。
(3)模拟采用Mohr-Coulomb本构模型，强度准则公式为：
其中，σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；
为岩石内摩擦角，°； c为内聚力，MPa；当fs＜0时，材料将发生破坏。
(4)基于实测经验和矿压理论，在模型的前、后、左、右四个表面均设有水平位移约束边界，下表面则设有垂直位移约束边界，将模型上表面设定为自由边界并均匀施加自重应力。
(5)进行初始地应力平衡，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5。
(6)开挖巷道并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5。
(7)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，开挖长度为400m，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到传统开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据。
(8)调用步骤(6)中计算得到的数据文件，采用空模型对巷道进行切顶，切顶高度为6m，并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5。
(9)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，开挖长度为400m，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到切顶卸压开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据。
(10)比较传统开采模式与切顶卸压开采模式巷旁应力集中变化曲线如图2 所示；巷道顶板应力分布曲线如图3所示；采空区卸压角分布如4所示；采空区垂直方向应力分布如图5所示；采空区卸压范围分布如图6所示。
与传统开采模式相比，切顶卸压采空区卸压具有全域特性。在水平方向单侧切顶卸压开采切顶侧应力集中区峰值减小0.66MPa，双侧切顶卸压开采模式两侧应力集中峰值均减小0.96MPa，且切顶卸压开采巷道顶板应力全程小于传统开采模式；在垂直方向上单侧切顶卸压开采切顶侧卸压角增加了15.3°，双侧切顶卸压开采模式两侧卸压角分别增加14.2°和16.2°；切顶卸压开采模式下采空区垮落更为充分，单侧切顶使采空区卸压范围增加13m，双侧切顶使采空区卸压范围增加26m。与传统开采模式相比，切顶卸压开采模式下采空区在水平和垂直方向上存在卸压，且具有全域特性，可方便搞清楚采空区风流运移和瓦斯运移特性，根据风流运移规律，可以掌握工作面与采空区漏风主要区域，从而针对性的进行防漏风封堵；根据采空区全域卸压特性可以掌握瓦斯在采空区内的主要储存空间，根据采空区卸压范围，在卸压区确定合理的瓦斯抽采层位，进行卸压瓦斯抽采，提高瓦斯抽采效率，进而能够为防范切顶卸压开采模式下采空区漏风和精准抽采采空区瓦斯提供基础支撑，还对保障切顶卸压开采技术安全推广具有重要意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
Claims (4)
1.一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)收集并整理分析矿井资料以及工作面相关地质情况；
(2)根据工作面顶底板岩性参数，采用FLAC3D模拟软件进行数值模型建立；
(3)模拟采用Mohr-Coulomb本构模型，且强度准则公式为：
其中，σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；
为岩石内摩擦角，°；c为内聚力，MPa；当fs＜0时，材料将发生破坏；
(4)在模型的前、后、左、右四个表面均设置水平位移约束边界，同时，下表面设置垂直位移约束边界，而上表面设定为自由边界并均匀施加自重应力；
(5)进行初始地应力平衡，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5；
(6)开挖巷道并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5；
(7)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到传统开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据；
(8)调用步骤(6)计算得到的数据文件，根据切顶高度和角度采用空模型对巷道进行切顶，并进行计算，平衡条件为最大平衡比率小于1e-5；
而传统开采模式无需进行此操作；
(9)采用空模型开挖工作面，开启大变形模式，并让采空区顶板进行垮落，计算平衡条件为最大平衡比率小于1e-5，得到切顶卸压开采模式下采空区模拟结果，保存并提取数据；
(10)分别提取传统开采模式、单侧切顶卸压开采模式、双侧切顶卸压开采模式下的模拟数据并进行分析比较，得出切顶卸压采空区全域卸压特性。
2.根据权利要求1所述的一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，其特征在于：步骤(1)中，所述矿井资料以及工作面相关地质情况包括：工作面埋深、工作面长度与推进距离、煤层倾角、工作面顶底板岩层分布情况、煤岩体物理力学性质、切顶高度与角度。
3.根据权利要求2所述的一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，其特征在于：所述煤岩体物理力学性质包括岩层厚度、密度、体积模量、剪切模量、内聚力、内摩擦角和抗拉强度。
4.根据权利要求1所述的一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法，其特征在于：步骤(9)中，所述模拟数据包括两条巷道顶板应力分布、巷旁应力分布、卸压角、垮落范围和卸压范围。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117313485A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-12-29 | 华亭煤业集团有限责任公司 | 一种综放工作面端头顶煤卸压特性数值模拟研究方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117313485A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-12-29 | 华亭煤业集团有限责任公司 | 一种综放工作面端头顶煤卸压特性数值模拟研究方法 |
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