[發明專利]一種底板巷道保護煤柱寬度的有限元優化方法

有效

• 申請號: 201810344351.2
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108549776B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 王輝;戰玉寶;鄭朋強;李楠
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 俞曉明

本發明公開了一種底板巷道保護煤柱寬度的有限元優化方法，包括：調用動態參數化模型程序，修改保護煤柱寬度L進行有限元計算；利用程序Disp.py，獲取關鍵點變形，計算總目標函數U；利用程序CoalwidthOp.m，對總目標函數進行自動優化；當優化迭代計算滿足保護煤柱寬度約束條件時，輸出優化結果，不滿足則返回重新計算。本發明基于ABAQUS平臺，利用Python語言建立模擬不同保護煤柱寬度的動態參數化模型，編制基于Matlab語言的有限元優化分析計算程序，以巷道和保護煤柱變形最小形作為優化目標，對建立的動態參數化模型進行計算，得到合理的保護煤柱尺寸，提高了利用有限元方法確定底板巷道保護煤柱寬度的分析效率，同時可為類似開采條件下保護煤柱的留設提供理論支持。

技術領域

本發明涉及煤礦開采領域，更具體的涉及一種底板巷道保護煤柱寬度的有限元優化方法。

背景技術

合理保護煤柱寬度對于維護巷道及工作面穩定，提高煤炭資源開采率至關重要。目前我國部分煤礦仍采用傳統的留設方法，即依靠經驗來確定煤柱寬度，一般都是在不計成本的基礎上留設較大尺寸的保護煤柱，這樣雖然對上覆圍巖和巷道起到了保護作用，但造成大量煤炭資源的浪費。如何兼顧資源回收率和巷道穩定來合理確定煤柱寬度，一直是眾多學者關注的焦點。

奚家米提出采用現場實測和數值模擬結合的方法來確定保留煤柱寬度的方法，分別建立3m，6m，8m，12m時4種不同煤柱寬度下的計算模型，對圍巖應力、變形進行了模擬研究，為石炭井二礦保留煤柱寬度提出了合理的建議。屠洪盛分析了不同傾角、不同尺寸區段煤柱條件下的煤柱變形破壞特征、煤柱周圍應力分布規律和影響煤柱穩定的主要因素，得出了保證區段煤柱和采空區頂板穩定的區段煤柱合理尺寸。閆帥為得到針對某礦S2106工作面區段煤柱寬度，建立6種方案(設計煤柱寬度分布為4、6、8、10、14和20m)的計算模型進行研究，得到煤柱寬度與巷道穩定性的關系。張科學計算了煤柱寬度為3、4、5、6、8、10、12、15、20m時的模型，最終確定7113回風巷護巷煤柱寬度為6m。余學義采用數值模擬的方法分別研究2次采動影響下寬度為4，6，8，10，12m的5種不同尺寸巷間煤柱的應力演化規律、彈塑性區域變化規律和巷道變形規律，同時綜合考慮安全生產、資源回收率等因素，最終確定大采高雙巷布置工作面巷間煤柱的合理尺寸為10m。張文陽根據汾西礦業集團賀西礦工程地質條件，通過建立FLAC3D數值模型，模擬分析不同寬度的區段煤柱圍巖破壞特征和垂直應力分布特征，確定出該礦合理區段煤柱尺寸為26m。韓承強通過數值模擬分析了4種不同寬度煤柱的塑性區變化范圍，結果表明：煤柱的破壞情況受煤柱寬度影響較大，并通過分析得出崔莊煤礦條件合理區段煤柱寬度應為6～8m。

通過以上分析可知，目前關于預留煤柱合理尺寸優化研究方面，主要考慮兩方面因素，一是煤柱自身穩定性影響，二是對周邊設施(如回采、運輸巷道等)穩定性的影響。然而，當開采煤層與底板巷道距離較近時，單純考慮一種因素則相對片面。同時，采用有限元模擬研究過程中，應用較多的是方案對比法，即建立不同方案下的分析模型，對比計算結果，找出預留煤柱寬度對巷道穩定性的影響規律，最終確定合理的尺寸。然而，在分析過程中必然存在重復性建模和方案比選判斷問題，使得分析效率大大降低，同時，在模型建立過程中不可能建立所有方案，因此最優方案極容易被忽略。為此，綜合考慮安全穩定性和經濟性，提出一種保護煤柱寬度的合理優化方法至關重要。

發明內容

本發明實施例提供一種底板巷道保護煤柱寬度的有限元優化方法，用以解決現有技術中存在的問題。

本發明實施例提供一種底板巷道保護煤柱寬度的有限元優化方法，包括：

利用大型有限元軟件ABAQUS的標準設計語言Python編制模擬不同預留煤柱寬度的動態參數化模型；

調用動態參數化模型程序，修改保護煤柱寬度L進行有限元計算，并輸出計算結果文件；

利用編制的自動讀取巷道和煤柱關鍵點變形的程序Disp.py，獲取計算結果中關鍵點變形，計算總目標函數U；