一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法技术

本发明专利技术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。从而针对性的进行防漏风封堵。从而针对性的进行防漏风封堵。

【技术实现步骤摘要】
一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方法


[0001]本专利技术属于煤矿安全开采
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]
技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]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：
[0009](1)收集并整理分析矿井资料以及工作面相关地质情况；
[0010](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；
[0011](3)模拟采用Mohr
‑
Coulomb本构模型，且强度准则公式为：
[0012][0013]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f
s
＜0时，材料将发生破坏；
[0014](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；
[0015](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；
[0016](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；
[0017](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；
[0018](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；
[0019]而传统开采模式无需进行此操作；
[0020](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；
[0021](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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]本专利技术的有益效果是：
[0026](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；
[0027](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；
[0028](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
[0029]图1是本专利技术采用的FLAC3D数值计算模型；
[0030]图2是巷旁应力集中变化曲线；
[0031]图3是道顶板应力分布曲线；
[0032]图4是传统开采模式的采空区卸压角分布图；
[0033]图5是单侧切顶卸压开采模式的采空区卸压角分布图；
[0034]图6是双侧切顶卸压开采模式的采空区卸压角分布图；
[0035]图7是传统开采模式的采空区垂直方向应力分布图；
[0036]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；
[0037]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；
[0038]图10是采空区卸压范围分布图。
具体实施方式
[0039]以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，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专利技术的其他优点及功效。
[0040]本专利技术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：
[0041](1)收集并整理分析研究矿井资料与工作面相关地质情况。
[0042]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。
[0043](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。
[0044]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。
[0045](3)模拟采用Mohr
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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f
s
＜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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈向军，李新建，贾奇，冯帅龙，赵伞，闵瑞，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：