一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，屬于礦井火災(zāi)防治領(lǐng) 域。 技術(shù)背景：
[0002] 隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，新的生產(chǎn)工藝及技術(shù)給礦井帶 來較大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也使得礦井災(zāi)害防治面臨著新的挑戰(zhàn)。聯(lián)巷密閉墻是相鄰兩工作面 重要的通風(fēng)設(shè)施，也是確保臨近工作面的安全生產(chǎn)的重要屏障。傳統(tǒng)聯(lián)巷密閉墻的構(gòu)筑的 位置和厚度選擇不當(dāng)，極易導(dǎo)致密閉墻壓裂、垮塌，產(chǎn)生大量漏風(fēng)裂隙，在礦井原有的負(fù)壓 通風(fēng)作用下產(chǎn)生漏風(fēng)通道，容易引起相鄰兩工作面煤自然發(fā)火。
[0003] 此外，在礦山壓力及工作面開采動(dòng)壓影響下，容易造成聯(lián)巷密閉應(yīng)力集中，同樣會 產(chǎn)生漏風(fēng)通道。因此采用一種合適的數(shù)值模擬方法對于現(xiàn)實(shí)實(shí)際相似條件下聯(lián)巷密閉墻的 厚度和位置展開數(shù)值模擬具有重要的意義。
[0004] 結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對煤礦井下聯(lián)絡(luò)巷密閉墻的合理位置和厚度方面研究相 對較少，目前，針對密閉墻在鄰近工作面采動(dòng)影響下的變形破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬的研究 沒有相關(guān)進(jìn)展，因此具有創(chuàng)新意義，并對煤礦生產(chǎn)中煤自燃防治及井下通風(fēng)工程具有重大 的指導(dǎo)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于針對國內(nèi)外煤礦井下聯(lián)巷密閉構(gòu)筑中面臨的難題和技術(shù)的不 足，提供一種基于物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法。
[0006] -種基于物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法， 其特征在于，它包括以下步驟：
[0007] (1)利用正交法確定密閉充填材料的最佳配比；
[0008] (2)根據(jù)步驟（1)的配比，采用單軸、三軸壓縮試驗(yàn)確定巖體及充填材料的力學(xué)參 數(shù)；
[0009] (3)結(jié)合步驟(2)力學(xué)參數(shù)，依據(jù)理論推導(dǎo)及力學(xué)分析初步估算聯(lián)巷密閉墻構(gòu)筑的 可能工況；
[0010] (4)根據(jù)實(shí)際工作面地質(zhì)概況，建立三維采場數(shù)值模型并設(shè)定邊界條件和初始條 件，定義相應(yīng)的材料力學(xué)參數(shù)；
[0011] (5)對步驟(4)所建立的力學(xué)模型進(jìn)行初始平衡狀態(tài)求解計(jì)算；
[0012] (6)進(jìn)行煤層開挖工作；
[0013] (7)對步驟(6)所建立的力學(xué)模型進(jìn)行初始平衡狀態(tài)求解計(jì)算；
[0014] (8)進(jìn)行回風(fēng)巷、聯(lián)絡(luò)巷開挖工作；
[0015] (9)對步驟(8)所建立的力學(xué)模型進(jìn)行初始平衡狀態(tài)求解計(jì)算；
[0016] (10)依照步驟(3)中的可能工況進(jìn)行模擬計(jì)算；
[0017] (11)對步驟(10)所建立的力學(xué)模型進(jìn)行初始平衡狀態(tài)求解計(jì)算；
[0018] 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，在步驟(1)中填充材料選取水、粉煤灰為基料，水玻璃、熟石灰組合為固化劑。
[0019] 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，基于步驟(1)的最佳配比，采用彈性抗壓試模確定力學(xué)參數(shù);現(xiàn)場采集各巖層試樣，進(jìn)行 單軸三軸試驗(yàn)，確定巖體力學(xué)參數(shù)。
[0020] 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，依據(jù)抗剪強(qiáng)度與厚度關(guān)系、最大剪應(yīng)力與厚度關(guān)系、彎矩與厚度關(guān)系結(jié)合FLAC 3D軟件進(jìn) 行聯(lián)巷開挖模擬后得到聯(lián)絡(luò)巷頂板上方0.5處承壓力的分布規(guī)律及頂板沉降規(guī)律，得到密 閉墻初步修建工況。
[0021] 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，所述三維力學(xué)模型包括工作面和回采工作面，工作面沿傾向方向依次為巷道煤柱，上順 槽;回采工作面，下順槽，巷道煤柱。
[0022] 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，在步驟(4)中，所述建立數(shù)值模擬力學(xué)模型包括以下步驟：
[0023] S41通過ANSYS軟件建立三維幾何模型并劃分計(jì)算網(wǎng)格;采用插件ANSYS-to-flac 3d將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLAC 3D軟件中；
[0024] S42選取力學(xué)材料模型為FLAC3D中莫爾一庫侖Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的 破壞：
[0025]
[0026] 其中，σ:、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，c，分別是粘結(jié)力和摩擦角。
[0027] S43確定摩爾一庫倫本構(gòu)模型所選的材料參數(shù):彈性模量，Κ;內(nèi)聚力，c;內(nèi)摩擦角， 釣抗拉強(qiáng)度，σι;泊松比；調(diào)整與數(shù)值模擬的材料參數(shù)一致。
[0028] S44加載及設(shè)置邊界條件和初始條件。
[0029] 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，在步驟(5)中，所述的力學(xué)模型的初始平衡狀態(tài)求解計(jì)算包括設(shè)置監(jiān)控變量、求解和結(jié) 果分析三個(gè)步驟，具體如下：
[0030] S51由FLAC3D程序采用顯式有限差分計(jì)算方法進(jìn)行迭代計(jì)算；
[0031] S52模型初始化平衡狀態(tài)下由用顯式的時(shí)間步動(dòng)態(tài)求解；
[0032] S53在FLAC3D程序中保存初始平衡狀態(tài)下的力學(xué)模型，得到垂直應(yīng)力分布剖面圖。
[0033] 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，在步驟(6)中，所述的煤層開挖工作包括進(jìn)行煤層開挖和對開挖的模型求解；
[0034] S61設(shè)置模型開挖煤層，從模型右距離鄰近工作面停采線100m處開始回采，每次推 進(jìn)10m，共采6步，推進(jìn)60m;
[0035] S62在開挖前，先將由步驟(3)求解所得的模型的初始平衡狀態(tài)進(jìn)行保存；
[0036] S63進(jìn)行開挖模型的求解計(jì)算，是由FLAC3D程序采用顯式有限差分計(jì)算方法進(jìn)行迭 代計(jì)算，用監(jiān)控參數(shù)最大不平衡力對求解過程進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到收斂條件終止計(jì)算，并對開挖 每一步的模型求解狀態(tài)進(jìn)行保存，得到每一步開挖的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布剖面圖以及 模型的塑性破壞區(qū)域圖。
[0037] 9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，其特征在 于，在步驟(8)中，需要在建立的三維采場數(shù)值模型煤層開挖工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷均為矩 形巷道和聯(lián)絡(luò)巷為矩形巷道。
[0038] 附圖：
[0039]圖1本發(fā)明方法流程圖。
[0040] 圖2正交法確定充填材料最佳配比圖。
[0041] 圖3采場平面地質(zhì)模型概念圖。
[0042]圖4三維采場數(shù)值模型。
[0043] 圖5工作面煤層開挖、回風(fēng)巷、聯(lián)絡(luò)巷開挖平面圖。
[0044] 圖6密閉墻構(gòu)筑數(shù)值模型。
[0045]圖7(a)不同工況下密閉墻最大垂直應(yīng)力模擬結(jié)果圖；
[0046] 圖7(b)不同工況下密閉墻最大垂直位移模擬結(jié)果圖；
[0047] 圖7(c)不同工況下密閉墻破壞類型模擬結(jié)果圖；
[0048] 圖7(d)不同工況下密閉墻破壞體積模擬結(jié)果圖；
[0049] 圖7(e)不同工況下密閉墻破壞總體比例模擬結(jié)果圖；
[0050] 具體實(shí)施工況：
[0051] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0052] 一種礦井工作面聯(lián)巷密閉特性參數(shù)確定方法，本發(fā)明以山西某煤礦煤8#煤層開采 對鄰近工作面開采的影響為例，如圖1，本發(fā)明不僅限于該煤礦，具體按照以下步驟實(shí)施：
[0053] 1.確定密閉充填材料最佳配比：
[0054] 選取水、粉煤灰為基料，水玻璃、熟石灰組合為固化劑，各因素及水平見下表1。采 用正交法測定混合漿液的流動(dòng)度、初終凝時(shí)間及固化體的抗壓強(qiáng)度，通過直觀分析和方差 分析確定影響配比材料的主要因素，結(jié)合井下實(shí)際情況確定密閉