一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法技术

本发明专利技术公开了一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法。本发明专利技术包括以下步骤：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。本发明专利技术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。

A method for determining the sealing characteristic parameters of mine roadway

The invention discloses a method for determining the sealing characteristic parameter of a mine working face joint lane. The invention comprises the following steps: combining the underground construction conditions and closed filling materials and economic feasibility principle, determine the best ratio of Lian Xiang closed wall filling materials based on orthogonal method; single axis and three axis compression test to determine the mechanical parameters of filling materials based on preliminary estimates; closed wall construction may condition; simulation of mechanical model the establishment of three-dimensional numerical stope adjacent working face under the conditions of mining; to solve the initial equilibrium calculation; coal excavation work; for the return air lane, contact Lane excavation work; contact lane closed wall being built work; analysis of numerical simulation results to determine the most reasonable thickness. The invention can determine the actual condition of the adjacent working face with building parameter lane closed wall, by Lian Xiang closed wall parts with the push of stress change and plastic damage, has an important guiding significance for further research on mine coal mining face in the process of coal spontaneous combustion with ventilation and prevention.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术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。
技术实现思路
：本专利技术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FLAC3D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FLAC3D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FLAC3D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FLAC3D采用显式的时间步动态求解；S53在FLAC3D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FLAC3D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本专利技术方法流程图。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专利技术作进一步描述：一种矿井工作面联巷密闭特性参数确定方法，本专利技术以山西某煤矿煤8#煤层开采对邻近工作面开采的影响为例，如图1，本专利技术不仅限于该煤矿，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：依据抗剪强度与厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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FLAC3D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...

【专利技术属性】
技术研发人员：金永飞，陈曦，李海洋，高正强，伍厚荣，蒋志刚，余玉江，
申请(专利权)人：四川省科建煤炭产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51