利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2023115548696
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法,其特征在于,具体包括以下步骤:Step1,收集并整理矿井资料数据以及工作面地质数据;

Step2,巷道布置、支护设计及综放面布设:根据矿井资料数据设计巷道(3)采用矩形断面,沿煤层(2)中部开采,综放面(4)连通两侧巷道(3);采用采放比1:3,采用锚索+两帮锚杆+锚网+钢带+托板锁具的支护形式;

Step3,综放面模型建立:采用UDEC模拟软件进行数值模型建立,使用命令流切出岩层,对切好的岩层进行分组和节理分组,以及对网格进行划分;节理采用库伦滑移模型,对各岩层块体进行赋参,设定边界条件;

根据工作面实际情况,取模型边界约束条件如下:左右边界面及底面边界采取法向约束;顶面边界为自由边界,施加上层覆岩等效重力,初始地应力平衡,最大平衡比设置为1e‑7;初始平衡之后,重置位移和速度,使得模型初始位移归零;

体积模量及剪切模量存在以下关系:

式中:E为岩体的弹性模量;K为岩体的体积模量;G为岩体的剪切模量;v为泊松比;

节理的法向刚度表达式为:

式中,Em为岩体的杨氏模量;Er为岩石的杨氏模量;kn为节理的法向刚度;s为节理间距;

节理剪切刚度表达式为:

ks=(GmGr)/[s(Gr‑Gm)]

式中,ks为节理剪切刚度;Gm为岩体的剪切模量;Gr为岩体的剪切模量;s为节理间距;

当扩展到三组正交节理组时,基于等效连续假设给出下列关系;

UDEC中岩石材料破坏基本准则是摩尔‑库仑准则,对应的是剪切破坏的线性破坏面:式中:fs为摩尔‑库仑准则函数表达式;σ1为最大主应力;σ3为最小主应力; 为内摩擦角;c为粘聚力;

Step4,模拟开采与支护:对煤层进行模拟开挖,首先要确定工作面前方留置煤柱的大小,然后进行巷道模拟开挖,巷道模拟开挖至设计位置后贯通形成开切眼,然后通过cable单元命令加设锚杆锚索支护参数、以及设置锚杆锚索间距和长度,计算支护强度后保存并提取数据;

Step5,获得综放顶煤卸压特性:提取锚杆锚索对顶煤进行支护的条件下煤层开采的模拟数据进行分析,获得锚杆锚索对顶煤进行支护的条件下综放顶煤卸压特性。

2.根据权利要求1所述的锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法,其特征在于,Step1中矿井资料数据以及工作面地质数据主要包括埋深数据、切眼和巷道全断面数据、顶底板岩层分布数据、煤岩体厚度数据、煤柱宽度数据。

3.根据权利要求1所述的锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法,其特征在于,Step3中赋参包括煤岩体密度、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所述的锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法,其特征在于,Step4中锚杆锚索参数包括长度、间距、密度、抗拉强度和屈服强度。

5.根据权利要求1所述的锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法,其特征在于,Step4中设置锚杆锚索间距和长度时根据围岩稳定性支护强度和现场顶板压力数据设定,锚杆锚索通过预应力扩散对围岩形成支护力p参与围岩弹变形过程,支护力p由下式计算:2

p=(πdσb)/(4n1n2)

式中:p为预应力扩散向洞口围岩提供的支护力;d为锚杆直径;σb为单根锚杆提供的锚固强度;n1和n2分别为锚杆间距和排距;

对于单个锚杆的轴向锚固应力σ(r),通过下式计算

式中:Eb为锚杆弹性模量;Kb为锚杆和围岩之间界面的剪切刚度;F为锚杆托架施加在围岩上的预紧力;L1、L2分别为锚杆自由段和锚固段的长度;d为锚杆直径;r为锚杆锚索长度。

6.根据权利要求1所述的锚杆锚索支护下综放顶煤卸压特性数值模拟方法,其特征在于,Step5中提取锚杆锚索对顶煤进行支护的条件下煤层开采的模拟数据进行分析,具体如下:分别在两侧巷道选取五组及以上有/无锚杆锚索支护对煤层开采下顶煤变形模拟数据,结合有/无锚杆锚索支护对煤层开采下顶煤变形顶板变形、最大主应力与垂直位移量图的数据对比分析。