基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法与流程

1.本发明涉及露天煤矿端帮开采支撑煤柱稳定性技术领域，具体涉及一种基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法。


背景技术：

2.我国新疆、内蒙古、山西、青海及西藏等煤炭生产基地含有大量浅埋煤层，适宜露天开采，由此产生了大量端帮压煤(滞留煤)。滞留煤中仍存在大量优质煤，弃采造成巨大的资源浪费。端帮开采工艺在国外得到了大范围成功应用，近年来，随国内端帮开采工艺的不断发展，为滞留煤回收提供了一种新方。端帮开采时，使用采煤机对露头煤层打硐开采，形成多个独立采硐，各采硐间通过留设煤柱支撑上覆岩层。若支撑煤柱发生失稳破坏，会造成设备压埋事故，还会造成露天矿边坡滑坡等一系列工程灾害，严重影响矿区正常开采工作，进一步造成人员伤亡和经济损失。
3.端帮开采时，远程操控端帮采煤机对露头煤层进行打硐开采，形成多个独立采硐，各采硐间通过留设煤柱支撑其上覆岩层。若支撑煤柱发生失稳破坏，不但会造成设备压埋事故，还可能造成露天矿边坡滑坡等一系列工程灾害，将严重影响矿区的安全正常开采工作，造成不可估量的人员伤亡和经济损失。
4.解决这一问题的关键就是研究出端帮开采条件下支撑煤柱的失稳机制，进而得出发生失稳的判据，帮助技术人员避开失稳破坏期，避免造成设备压埋事故及露天矿边坡滑坡等一系列工程灾害，保障煤矿的安全生产。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出一种基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法，包括：
6.步骤1：构建待监测工程地质的物理模拟试验模型；
7.步骤2：利用物理模拟试验模型模拟支撑煤柱随着载荷增加煤柱失稳的过程，并采集各测点的竖向应力；
8.步骤3：将各个煤柱所对应测点的竖向应力拟合得到对应煤柱的应力曲线；
9.步骤4：根据应力曲线的形状判断煤柱是否发生失稳；
10.步骤5：在煤柱由临界状态向失稳状态演化的过程中，根据应力曲线斜率的变化判断煤柱失稳的时刻点，将应力曲线对应的斜率出现突增的时刻点作为煤柱发生失稳的开始时刻。
11.所述步骤1包括：
12.步骤1.1：根据综合模拟试验平台几何尺寸以及待监测工程地质分布情况，确定物理模拟试验模型的几何相似比；
13.步骤1.2：根据几何相似比确定模型的几何尺寸以及应力边界；
14.步骤1.3：通过正交试验，比对胶结材料和设计强度确定各模拟岩层的配合比，在
综合模拟试验平台上按照配合比分层现浇模拟煤层分布情况。
15.所述步骤2包括：
16.步骤2.1：根据设计要求对模型进行加载使其达到换算后的原岩应力状态；
17.步骤2.2：应力施加稳定后对采硐进行开挖；
18.步骤2.3：开挖完成后保持一定时间，然后分级施加超载压力，加载过程中煤柱中出现贯通裂纹或者应力下降到原岩应力以下则停止加载；
19.步骤2.4：按煤柱宽度的4等分点位置布置压力感应元件，采集不同宽度煤柱各测点的竖向应力。
20.所述步骤4具体表述为：如果曲线的形状是马鞍形则说明说施加的载荷未超过煤柱的极限强度，煤柱处于稳定状态；如果曲线的形状为平台形则说明所施加的载荷等于煤柱的极限强度，煤柱处于临界状态；如果曲线的形状为拱形则说明所施加的载荷大于煤柱的极限强度，煤柱处于失稳状态。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明提出了一种基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法，通过构建物理模拟试验模型模拟支撑煤柱随着载荷增加煤柱失稳的过程，根据竖向应力曲线形状判断煤柱是否发生失稳，将竖向应力突变拐点作为煤柱失稳的预警判据；本发明方法结果可靠，为支撑煤柱参数设计提供合理的依据，在煤柱失稳前，及时发出预警。
附图说明
23.图1为本发明中基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法流程图；
24.图2为本发明中试验过程的设计原理图；
25.图3为本发明中支撑煤柱上覆荷载示意图；
26.图4为本发明中边坡各地层岩性分布图；
27.图5为本发明中模型几何尺寸图；
28.图6为本发明中模拟试验系统示意图；
29.图7为本发明中煤柱应力监测方案示意图；
30.图8为本发明中不同宽度煤柱各测点竖向应力的演化机制曲线，其中(a)表示支撑煤柱长4.5m时的演化机制曲线，(b)表示支撑煤柱长5.0m时的演化机制曲线，(c)表示支撑煤柱长5.5m时的演化机制曲线，(d)表示支撑煤柱长6.0m时的演化机制曲线；
31.图9为本发明中采硐开挖完成后不同宽度煤柱竖向应力分布关系曲线；
32.图10为本发明中不同宽度煤柱在相同位置测点处竖向应力变化机制曲线；
33.图11为本发明中分级加载过程中不同宽度煤柱测点竖向应力演化机制曲线；
34.图12为本发明中6.0m宽度煤柱在不同加载等级下塑性区分布图；其中(a)为第6级加载完毕的塑性区分布图；(b)为第7级加载完毕的塑性区分布图；(c)为第8级加载完毕的塑性区分布图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
36.如图1所示，一种基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法，包括：
37.步骤1：构建待监测工程地质的物理模拟试验模型；包括：
38.步骤1.1：根据综合模拟试验平台几何尺寸以及待监测工程地质分布情况，确定物理模拟试验模型的几何相似比；
39.步骤1.2：根据几何相似比确定模型的几何尺寸以及应力边界；
40.步骤1.3：通过正交试验，比对胶结材料和设计强度确定各模拟岩层的配合比，在综合模拟试验平台上按照配合比分层现浇模拟煤层分布情况；
41.步骤2：利用物理模拟试验模型模拟支撑煤柱随着载荷增加煤柱失稳的过程，并采集各测点的竖向应力；包括：
42.步骤2.1：根据设计要求对模型进行加载使其达到换算后的原岩应力状态；
43.步骤2.2：应力施加稳定后对采硐进行开挖；
44.步骤2.3：开挖完成后保持一定时间，然后分级施加超载压力，加载过程中煤柱中出现贯通裂纹或者应力下降到原岩应力以下则停止加载；
45.步骤2.4：按煤柱宽度的4等分点位置布置压力感应元件，采集不同宽度煤柱各测点的竖向应力；
46.步骤3：将各个煤柱所对应测点的竖向应力拟合得到对应煤柱的应力曲线；
47.步骤4：根据应力曲线的形状判断煤柱是否发生失稳；如果曲线的形状是马鞍形则说明说施加的载荷未超过煤柱的极限强度，煤柱处于稳定状态；如果曲线的形状为平台形则说明所施加的载荷等于煤柱的极限强度，煤柱处于临界状态；如果曲线的形状为拱形则说明所施加的载荷大于煤柱的极限强度，煤柱处于失稳状态；
48.步骤5：在煤柱由临界状态向失稳状态演化的过程中，根据应力曲线斜率的变化判断煤柱失稳的时刻点，将应力曲线对应的斜率出现突增的时刻点作为煤柱发生失稳的开始时刻。
49.为验证本发明方法的有效性，验证过程如图2所示，力学承载模型如图3所示，设计如下：
50.为了对端帮开采条件下支撑煤柱的失稳机制进行研究，以某褐煤露天矿为研究背景，为回收端帮滞留煤，对21号煤层露头煤打硐回采，回采硐室断截面为矩形，宽2m，高2.5m，采深100m，3天完成1次回采。西端帮边坡高度约100m，地层呈层状近水平分布，在走向方向上地层岩性无明显变化，自上而下边坡各地层岩性分别为表土、粗砂岩、粉砂岩、21号煤及基底砂岩，如图4所示。煤层顶底板以砂岩为主，各岩层物理力学参数见表1。
51.表1煤岩体物理力学参数表
[0052][0053]
根据综合模拟试验平台几何尺寸以及某褐煤露天矿西端帮现场工程地质分布情况，确定模型几何相似比为c
l
＝1:50，容重相似比为c
γ
＝1:1.6，则应力相似比可计算得c
σ
＝
c
γ
×
c
l
＝1:80。
[0054]
物理模拟试验模型整体尺寸宽300cm，高180cm，其中煤层埋深100cm，模拟实际等效埋深为50m。开采煤硐宽4cm，高5cm，预留煤柱设计分别为9、10、11和12cm这4 种宽度，对应的实际支撑煤柱宽度为4.5、5、5.5和6m。为减少试验次数，将不同煤柱设置于同一模型中，不同宽度煤柱间距为40cm，硐宽为10倍，以消除边界效应。此外，对模型施加200、300、200、400、200、300、300及200kpa等8个等级超载加压，以模拟支撑煤柱随载荷增加煤柱失稳演化机制。模型具体尺寸、岩层分布和采硐编号如图5所示。
[0055]
为得到符合相似模型力学性能材料，采用河砂作为细骨料，以水泥和石膏的混合物为胶凝材料，通过正交试验，比对胶结材料和设计强度，最终确定各模拟岩层配合比，其物理力学参数见表2。
[0056]
表2模型试验材料参数表
[0057][0058]
在采集竖向应力时，采用模拟试验系统对设计的物理模拟试验模型进行分级载荷的模拟加载过程，如图6所示，模拟试验系统主要包括均布压力加载系统和测量反力装置，对模型提供位移边界和应力边界；应力监测系统包括压力盒和应力监测系统，监测煤柱竖向应力。模型在模拟试验系统上按照设计配合比分层现浇制作，待最后一层浇筑完成并凝固后，脱模养护28天，为更好识别煤层，用油漆涂黑。基于物理模拟试验模型模拟支撑煤柱随着载荷增加煤柱失稳过程的试验步骤如下：
[0059]
step1：根据设计要求，模型加载达到换算后的原岩应力状态。
[0060]
step2：应力施加稳定后，开挖采硐，依次对1号、2号、3号采硐开挖，每个采硐开挖时间约70min，开挖完成后保载约30min，为第1试验段。
[0061]
step3：第1开挖段开挖完成后，依照步骤2，依次开挖第2试验段(4号、5号、6号采硐)，第3试验段(7号、8号、9号采硐)和第4试验段(10号、11号、12号采硐)。
[0062]
step4：开挖完成后保持30min，然后分级施加超载压力，加载过程中煤柱中出现贯通裂纹或者应力有明显下降，则停止加载。
[0063]
进一步地，为监测煤柱变化，在指定监测位置预先布置压力感应元件(压力盒)。以第1 试验段为例，如图7所示，煤柱监测点沿2号采硐高度中心点水平方向按煤柱宽度的4等分布置，间距约为2.25cm，距底板约1.25cm。其余3种试验段以5号、8号、11号采硐为参照，均按图6方式布置监测点。测点共计24个，依次从左向右进行编号。
[0064]
采硐开挖过程中不同宽度煤柱各测点竖向应力的变化机制如图8所示。由图8可知：各测点所在试验段开挖前的竖向应力均为0.018mpa，由于不同试验段被依次分步开挖，
说明前一试验段的采硐开挖不会影响下一试验段中煤柱竖向应力分布，因此，试验设计的煤柱间距可以消除因上一不同宽度煤柱形成而产生的边界效应。各试验段测点应力随采硐的开挖均线性递增或保持定值，应力没有出现突增突降现象，说明开挖过程将在煤柱中形成集中应力，但煤柱支承应力未发生重新分布，煤柱宏观没有产生明显裂纹，其仍处于稳定状态。以测点1为例，1号、2号、3号采硐完成开挖后，其竖向应力分别增长0.014、0.001、0mpa，说明测点1所在煤柱形成后，下一采硐开挖未影响本煤柱应力分布，因此，实际工程中只需考虑特定采硐范围内的煤柱稳定性即可预测整体煤柱稳定性。
[0065]
各采硐开挖完成后不同宽度煤柱竖向应力分布关系如图9所示，由于每6个测点在各自宽度煤柱中相对位置(4等分点)相同，因此，将所有测点绘制于同一横坐标上，其自上而下分别为4.5、5.0、5.5、6.0m煤柱中测点编号。由图9可知：各煤柱中竖向应力以煤柱中心轴对称分布，各试验阶段中煤柱竖向应力以中间采硐中心轴对称分布，其应力在接近临空面的测点达到峰值，当其超过临界应力后，煤柱应力会首先在临空面附近突降、释放，发生破坏。相同位置测点(如测点1、7、13、19)的竖向应力随煤柱宽度增加线性减小，其演化关系如图9所示，因此，合理增大煤柱宽度可以减少由回采产生的集中应力，从而提高煤柱稳定性。
[0066]
当所有采硐开挖完成后，对模型分级加载至所有煤柱失稳，观察其失稳演化机制。分级加载过程中不同宽度煤柱测点竖向应力变化机制如图10所示。由于煤柱中竖向应力对称分布，因此，图11中仅选取图10中所示的各宽度煤柱的特征测点作说明，分级加载过程中不同宽度煤柱测点竖向应力演化机制如图11所示。由图11可知：煤柱中竖向应力随分级载荷增加而增大，当超过不同宽度煤柱极限强度后，应力急剧降低，煤柱表面出现贯通剪切破坏裂纹，煤柱宽度由大到小依次发生失稳破坏。煤柱破坏后，竖向应力向两侧实体煤层转移，其内部竖向应力没有突降至0，仍依靠残余强度支撑其上部荷载。以6.0m长煤柱中测点19 及20为例，当荷载增加至第7级时，其中部(测点20)应力增长速率由23.9pa/s激增至67.1 pa/s，其大小在失稳破坏前夕超过临空面附近(测点19)煤柱内竖向应力，竖向应力分布形态由马鞍形演化为拱形，因荷载增加导致临空面附近煤柱的塑性区充分发展，导致应力重新分布，并向塑性区未完全发育的煤柱中部迁移，导致中部应力迅速增大，最终发生失稳破坏。实际工程中可将支撑煤柱中部煤层应力突变拐点作为煤柱失稳的前期预兆，以此为失稳灾害预警的判断依据。随煤柱宽度增加其失稳破坏时对应的峰值应力也有所增加，由于煤柱宽度增加，其与顶底板的接触面积增加，使得顶底板对其侧向变形的产生的约束作用增大，从而限制其内部微裂纹发育，宏观上使其极限强度有所提高，从而更不易失稳破坏。
[0067]
进一步构建数值模拟模型来验证本发明方法的有效性，数值模拟采用flac3d有限差分软件，数值模型采用与图5相同几何尺寸和模拟材料试验原型，物理力学参数相同，本构模型采用mohr
‑
coulomb模型，模型四周采用法向位移约束，底面采用三向位移约束，顶面为应力边界施加于模型试验中相同的应力。模拟中以煤柱屈服宽度作为失稳判断依据，当煤柱屈服区宽度与煤柱宽度比值超过88％，即判断煤柱失稳。
[0068]
所述煤柱失稳的判据
△
为：
[0069][0070]
式中，y为支撑煤柱单侧屈服宽度，m；煤柱内屈服区宽度为2y；w
p
为煤柱宽度，m；弹性核区宽度为w
p
–
2y；h
p
为煤层厚度；p
s
为屈服区荷载；p
e
为弹性核区荷载；w
m
为采硐宽度，m；e为煤柱初始弹性模量，gpa；u0为一定荷载下煤柱的压缩量，m；
[0071]
当δ＝0时，支撑煤柱处于系统平衡得临界状态，当δ<0时系统才可能跨越分叉集发生突变，即煤柱发生失稳破坏，解不等式δ<0得2y>0.88w
p
，即煤柱塑性区宽度与煤柱宽度比值超过88％时，煤柱将发生失稳破坏。
[0072]
以6.0m宽度煤柱的数值模拟结果为例，其在临近破坏的最后3级荷载作用下的塑性区分布范围如图12所示。当第6级荷载施加完毕后，煤柱屈服区宽度与煤柱宽度比值为80％，其还未发生失稳破坏，但是离破坏临界值的比例仅8％。当第7级荷载加载完毕后，图12(b) 中屈服区宽度没有增加，但屈服块体增加6％，表明：该级荷载虽然使煤柱屈服区有所增加，但仍未导致其失稳。当第8级荷载加载完毕后，图12(c)中屈服区相较前2级荷载发生了突变，屈服区宽度与煤柱宽度的比值由原来的80％突增为100％，大于临界值88％，整个煤柱发生整体屈服。表明：当煤柱支承应力超过其极限强度后，煤柱将发生剪切失稳破坏，数值模拟支撑煤柱失稳过程中塑性区的发展机制与相似材料模拟试验对应的竖向应力演化机制基本一致，其他宽度煤柱的失稳破坏模拟结果均与试验结果保持一致，因此，试验结果具有较强的可靠性。