(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210603127.7 (22)申请日 2022.05.27 (71)申请人 河南理工大 学 地址 454003 河南省焦作市高新区世纪大 道2001号 (72)发明人 陈向军　李新建　贾奇　冯帅龙　 赵伞　闵瑞　 (74)专利代理 机构 郑州联科专利事务所(普通 合伙) 41104 专利代理师 程世芳 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) E21C 41/18(2006.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模 拟研究方法 (57)摘要 本发明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。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 115062377 A 2022.09.16 CN 115062377 A 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FLAC 3D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fs＜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 顶， 并进行计算， 平衡条件为 最大平衡比率小于1e ‑5； 而传统开采 模式无需进行 此操作； (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； (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。 2.根据权利要求1所述的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： 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。 3.根据权利要求2所述的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： 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。 4.根据权利要求1所述的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： 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。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115062377 A 2一种切顶卸压采空区全域卸压特性数值模拟研究方 法 技术领域 [0001]本发明属于煤矿安全开采技术领域， 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。 背景技术 [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] 发明内容 [0006]本发明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， 本发明采用的技 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FLAC 3D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fs＜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， 下表面设置说　明　书 1/5 页 3 CN 115062377 A 3