一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法

本发明涉及煤柱尺寸优化和巷道支护，具体为一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法。

背景技术：

1、沿空掘巷是实现煤炭资源高效利用的有效方式之一，即在采空区边缘留设不同宽度的煤柱，来保证巷道的稳定掘进。目前，多数矿井为维持巷道稳定，沿空掘巷留设煤柱过宽，导致了大量煤炭资源浪费。申请号为cn201810344351.2的专利文件公开了一种底板巷道保护煤柱宽度的有限元优化方法，基于abaqus平台，利用python语言建立模拟不同保护煤柱宽度的动态参数化模型，编制基于matlab语言的有限元优化分析计算程序，以巷道和保护煤柱变形最小形作为优化目标，对建立的动态参数化模型进行计算，得到合理的保护煤柱尺寸。该方法以巷道和保护煤柱变形最小形作为优化目标，但是实际在进行煤柱尺寸设计时，留设煤柱尺寸对巷道稳定性的影响以及对资源回收率的影响也是十分重要的影响因素。同时，随着煤矿进入深部开采，高应力条件下留设较小煤柱，由于复杂的地质力学环境会导致巷道处于非对称受力状态，如果只采用常规支护则会导致支护强度不足，而一味地对巷道进行全断面补强支护，将导致巷道支护成本提高。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中存在的煤柱尺寸留设是应综合考虑巷道稳定性和煤炭资源回收率，以及煤柱非对称受力，需要有针对性地进行补强支护的技术问题，本发明提供了一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法。

2、本发明技术方案如下：

3、一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，包括如下步骤：

4、s10：建立不同煤柱尺寸的参数化模型；

5、利用python语言编写基于abaqus的二次开发程序，建立不同煤柱尺寸的参数化动态有限元模型；

6、s20：完善相关参数，运行并输出结果；

7、s201、对巷道围岩进行取样，进行单轴、三轴压缩试验，获取围岩试样相关参数并完善数值模拟程序；

8、s202、运行并输出分析文件；

9、s30：分析输出结果，确定最优尺寸；

10、对巷道煤柱塑性区分布和煤柱尺寸进行评分，并按重要程度进行权重分析，确定沿空掘巷煤柱最优尺寸；

11、s40：开挖巷道至设计尺寸，并留设最优尺寸的煤柱；

12、s50：对巷道进行支护；

13、具体步骤为：

14、s501、对巷道进行常规支护；

15、对巷道两帮和顶板施加锚杆支护，并于顶板处挂钢筋网，于两帮挂菱形铁丝网；

16、s502、对巷道煤柱进行非对称支护；

17、对煤柱进行注浆锚索补强支护，并根据煤柱塑性区分布特征，对煤柱进行分区注浆。

18、基于python语言编制煤柱尺寸二次开发优化程序，实现了不同煤柱尺寸的参数化动态有限元模型的建立，提升了大断面沿空掘巷煤柱最优尺寸分析效率；提出了锚索补强和分区注浆的非对称支护体系，提升了破碎煤柱的整体性，提高了巷道围岩的承载能力。巷道煤柱侧断面塑性区分布对巷道安全和稳定性有着至关重要的影响，煤柱尺寸与煤炭资源利用率相关性极大，煤柱尺寸越大煤炭资源利用率越低，综合考虑巷道稳定性和煤炭资源回收率的基础上，实现了大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护，保证了大断面沿空掘巷的安全稳定。

19、如上所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，步骤s30具体为：

20、s301、对煤柱塑性区面积进行打分，具体包括以下情况：

21、a、snp≤sp；

22、b、sp<snp≤2sp；

23、c、us＝0，snp>2sp；

24、式中，us为塑性区面积得分，snp为煤柱断面非塑性区面积，sp为煤柱断面塑性区面积；

25、s302、对煤柱尺寸进行打分；

26、l≤l0；

27、式中，ul为煤柱尺寸得分，l为煤柱尺寸，l0为煤柱最大尺寸；

28、s303、对巷道煤柱塑性区面积和煤柱尺寸按重要程度取1:1的比例进行分析，确定煤柱的最优尺寸。

29、巷道煤柱侧断面塑性区分布对巷道安全和稳定性有着至关重要的影响，煤柱尺寸与煤炭资源利用率相关性极大，煤柱尺寸越大煤炭资源利用率越低，视塑性区分布即煤柱塑性区面积和煤柱尺寸为同等重要。

30、具体地说，因不同注浆材料在不同破碎程度围岩中的扩散范围不同，步骤s502中分区注浆具体为，对煤柱塑性区高压注入扩散效率较差的粒状注浆材料，对煤柱非塑性区高压注入扩散效率好的化学注浆材料。煤柱塑性区均质性较差裂隙分布较多，因此注浆材料选择扩散效率较差但成本低的粒状浆液，而煤柱非塑性区均质性较好裂隙发育不明显，注浆材料可选择扩散效率好但成本较高的化学浆液。

31、作为一种优选的实施方式，步骤s502中注浆锚索的打设角度为偏水平方向向上15°，并保证锚索的锚固端打入基本顶坚硬的稳定层中，确保能有大于1.5m的长度锚固到稳定层中，确保锚索的支护强度。

32、进一步地，步骤s502中分区注浆时，以注浆材料的最小扩散直径为排距，按梅花形排列对煤柱进行分区注浆，排间实现最优搭接，不易出现注浆盲区。

33、优选地，所述粒状注浆材料采用水泥水玻璃。水泥水玻璃浆液具有速凝且凝固时间可控、浆液结石率高、结石体早期强度大等特性，且浆液本身无毒、无污染，并且成本低。

34、进一步优选地，所述化学注浆材料采用环氧树脂。环氧树脂浆液具有优异的力学性能、良好的渗透性和黏结性以及较短的固化时间。

35、就对巷道进行常规支护具体来说，步骤s501中，巷道顶板处锚杆设有5根，锚杆间排距为1000×1000mm，锚杆间排距允许偏差-100～100mm，两帮各设置4根锚杆，锚杆间排距1000×1000mm。既能确保锚杆的稳固性，又能避免排布过密导致的不必要成本增加或安全隐患。

36、通过上述设计，本发明大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法的有益效果在于：

37、(1)基于python语言编制煤柱尺寸二次开发优化程序，实现了不同煤柱尺寸的参数化动态有限元模型的建立，提升了大断面沿空掘巷煤柱最优尺寸分析效率。

38、(2)巷道煤柱侧断面塑性区分布对巷道安全和稳定性有着至关重要的影响，煤柱尺寸与煤炭资源利用率相关性极大，煤柱尺寸越大煤炭资源利用率越低，综合考虑巷道稳定性和煤炭资源回收率的基础上，实现了大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护，保证了大断面沿空掘巷的安全稳定。

39、(3)根据巷道围岩塑性区分布对巷道煤柱侧进行非对称支护，提出了锚索补强加分区注浆的非对称支护体系，提升了破碎煤柱的整体性，提高了巷道围岩的承载能力。

40、(4)分区注浆在提升煤柱整体性的同时，根据围岩破碎程度不同使用不同注浆材料，节省了注浆成本。

技术特征：

1.一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，步骤s30具体为：

3.根据权利要求1所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，步骤s502中分区注浆具体为，对煤柱塑性区(3)高压注入扩散效率较差的粒状注浆材料，对煤柱非塑性区(4)高压注入扩散效率好的化学注浆材料。

4.根据权利要求1所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，步骤s502中注浆锚索(2)的打设角度为偏水平方向向上15°，并保证锚索(2)的锚固端打入基本顶坚硬的稳定层中。

5.根据权利要求1所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，步骤s502中分区注浆时，以注浆材料的最小扩散直径为排距，按梅花形排列对煤柱进行分区注浆。

6.根据权利要求3所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，所述粒状注浆材料采用水泥水玻璃。

7.根据权利要求3所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，所述化学注浆材料采用环氧树脂。

8.根据权利要求1所述的一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，其特征在于，步骤s501中，巷道顶板处锚杆(1)设有5根，锚杆间排距为1000×1000mm，两帮各设置4根锚杆(1)，锚杆间排距1000×1000mm。

技术总结
一种大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护方法，包括如下步骤：S10：建立不同煤柱尺寸的参数化模型；S20：完善相关参数，运行并输出结果；S30：分析输出结果，确定最优尺寸；S40：开挖巷道至设计尺寸，并留设最优尺寸的煤柱；S50：对巷道进行支护。综合考虑巷道稳定性和煤炭资源回收率的基础上，实现了大断面沿空掘巷煤柱尺寸优化及非对称支护，保证了大断面沿空掘巷的安全稳定。根据巷道围岩塑性区分布对巷道煤柱侧进行非对称支护，提出了锚索补强加分区注浆的非对称支护体系，提升了破碎煤柱的整体性，提高了巷道围岩的承载能力。根据围岩破碎程度不同使用不同注浆材料，节省了注浆成本。

技术研发人员：王辉,于海容,张晓童,伍国军,曾令辉,韩啸宇,刘宇鹏
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10