CN104793260B

CN104793260B - 一种确定残煤自燃对露天矿边坡稳定性影响的方法

Info

Publication number: CN104793260B
Application number: CN201410018570.3A
Authority: CN
Inventors: 孙宝志; 王东; 于永江; 崔铁军; 曹兰柱
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CN104793260A

Abstract

本发明公开了一种确定残煤自燃对露天矿边坡稳定性影响的方法，其特征在于，使用PFC3D对露天矿边坡进行建模，在热力耦合的条件下，模拟了残煤自燃至不同燃空区深度时，边坡内部的岩体破坏过程，进而确定影响边坡稳定的岩体破碎区；其包括如下步骤：边坡模型构建，自燃过程的模拟及稳定性分析；本发明可用于露天煤矿边坡内残煤自燃对边坡稳定性的分析。

Description

一种确定残煤自燃对露天矿边坡稳定性影响的方法

技术领域

本发明涉及煤的露天开采工程，特别是涉及确定残存在露天煤矿边坡内残煤自燃对边坡稳定性的影响。

背景技术

露天煤矿边坡内往往存在残煤，由于储量小，开采条件复杂，造成残留。据资料统计，全国统配煤矿与重点煤矿中的自燃发火的火灾次数占矿井火灾总次数的94%，其中采空区内遗煤自燃火灾次数又占总火灾次数的60%，是井下发火最严重的部位。而海州露天矿矿坑已经测得有200余处发火点，主要发火点约有50处。从1953—2008年之间共发生了80次滑坡，其中，由残煤自燃诱发达29次，占34%。可见对残煤自燃引起的边坡破坏的研究是相当必要的。

目前对露天矿边坡的残煤自燃对边坡造成的影响研究较少，研究基本上是通过基于连续性介质条件对边坡破坏的研究。但实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；原地质条件也可能是破碎岩体；形成裂隙后氧气随之进入岩体深部，有助于自燃的发展等。考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。

PFC3D(Particle Flow Code in3Dimensions)是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。

为解决上述问题，尝试使用非连续的颗粒流理论(PFC)对残煤自燃进行模拟，以模拟岩体破碎，从而找到在不同燃空区深度时形成的破碎岩体范围。研究能为有边坡残煤自燃隐患的露天矿提供可能的失稳区范围，也能进一步为研究燃空区最大深度提供依据。

颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布,可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算,采用显式时步循环运算规则。根据牛顿第二定律确定每个颗粒由于接触力或体积力引起的颗粒运动(位置和速度)，力-位移定律是根据2个实体(颗粒与颗粒或颗粒与墙体)的相对运动，计算彼此的接触力。

颗粒流理论基于以下假设:

1)颗粒单元为刚性体;

2)接触发生在很小的范围内,即点接触;

3)接触特性为柔性接触,接触处允许有一定的“重叠”量;

4)“重叠”量的大小与接触力有关,与颗粒大小相比,“重叠”量很小;

5)接触处有特殊的连接强度;

6)颗粒单元为圆盘形.

颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能传递作用力,并行连接模型可以承受作用力和力矩。

PFC3D的热模型可以模拟瞬态热传导，由PFC3D颗粒组成的储热材料，以及由于热变引起的热位移和热应力。热材料由储热器和热导管组成，前者由PFC3D的颗粒组成，后者由颗粒之间的连接组成。热传导通过连接储热器的激活管道作为导体传播。目前PFC3D的热模型还不能模拟热辐射和热对流。热拉力的产生是通过修改材料颗粒的半径实现的。

热力耦合涉及的热导参数是温度和热通量。这些变量与连续方程和Fourier热导法则有关。FPC3D中使用由Fourier法则演化的差分热导方程代替了Fourier法则，以使PFC3D可以在给定具体边界条件和初始条件下，解算特殊几何形状和属性的模型。

PFC3D热力模型中主要给定的方程如下：

连续介质热导方程如图6所示公式（1）所示。

根据Fourier法则确定的连续介质热通量与温度梯度的关系如图7所示公式（2）所示。

温度的改变量ΔT与颗粒半径R的关系如图8所示公式（3）所示。

颗粒连接的键（bond force vector）力矢量如图9所示公式（4）所示。

除此之外，还有数值离散化、热导与热阻关系等，由于篇幅所限不予以介绍，详见PFC3D用户手册。

边坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步骤，根据PFC3D用户手册PROBLEMSOLVING WITH PFC^3D中的介绍，岩土问题数值分析的一般步骤如图1所示。

对于任意建模过程，具体来说包括：颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。国内对于PFC3D建模研究不多，建立尾矿库模型的颗粒流实际模型步骤，如图2所示。

发明内容

由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8～1.2m的正态分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5～1m的正态分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。

模型的边界条件：给定煤层温度边界，参考露天矿实际情况，环境温度为25℃。模型下部和右部为固定边界。整个模型长(x方向)337m、高(z方向)207m，考虑到主要研究的是边坡剖面，且只在竖直(z方向)受重力作用及颗粒直径等因素，确定模型宽(y方向)为2.5m。

随着残煤自燃的发展，对于不同燃空深度，进行递进式模拟，沿煤层倾角方向煤每燃烧20m进行一次模拟。就煤的自燃而言是一个复杂的过程，由于主要就煤自燃引起的边坡内岩体结构破坏进行论述，所以主要模拟燃烧初始阶段和快速燃烧阶段，且由于煤自燃的温度范围内砂岩、砂质泥岩、砂岩的性质变化不大，所以不考虑温变影响。笔者认为这两个阶段的煤层由于燃烧，体积不断减小，无法支撑上覆岩层重力。当上覆一定厚度岩层因此产生的附加应力大于岩层内抗拉强度时，岩层产生裂隙、断裂直至掉落。模拟参考反应状态、实地残留物提取及相似模型等研究，大体上认为在上述地质条件下，每间隔20m的煤燃烧残留体积与原体积比折合成颗粒半径比的比值是线性的，故设模拟为8段进行，共160m。对颗粒进行调整，燃烧后的颗粒半径等于原半径乘调整系数ε_i，ε_i={0.9，0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,}，i=1～8，,i表示某段煤层被模拟的次数。

在煤层自燃过程中，随着燃烧煤的体积不断减小，上覆岩层产生裂隙，断裂和掉落。这个过程中岩体出现裂隙甚至裂缝，这些使岩体变得强度降低，边坡自由面可能产生落石甚至滑坡。为确定边坡的稳定性，找到在上述过程中产生的岩层破碎区域是极为关键的。对于岩土模型而言，在初始地应力场计算完成后，最大不平衡力达到设定值(10^-5)，将单元速度和位移设为0，认为岩土模型达到稳定平衡，作为进一步模拟的基础。研究岩层破碎区的范围，首先明确破裂是由于位移产生的空隙造成的，所以应根据模型中颗粒的位移情况判断破碎区范围，进而分析破碎区形成的特点。

煤层自燃形成的岩体内部破碎区域可称为“喇叭裂隙带”。喇叭裂隙带为岩体内裂隙的主要分布区域，本例界定的位移量是0.1m(并不表征裂隙宽度)，即位移量大于0.1m的区域为喇叭裂隙带；上边界线(Lu)为分割岩体不同位移量的分界线，本例为0.1m；喇叭口高(H)为近似垂直于煤层倾角的且通过煤燃烧与未燃烧分界处的分界线，用于表示上边界线出现折线后的部分。位移矢量线有明显成层分布特征，层与层之间的分界线为分层剥离线L。出现分层剥离现象是由于岩体靠近煤层的部分由于燃空失去下部支撑，该部分岩体自重达到了某种程度，破坏了这部分岩体与其上覆岩体的连接，造成了岩体裂缝L。

附图说明

图1岩土数值分析的推荐步骤。

图2颗粒流实际模型建立的流程图。

图3模型示意图。

图4自燃过程中边坡内部岩体颗粒位移示意图，注：图4-1～4-8的燃空区分别是20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m，图中黑色矢量箭头表示颗粒体的位移量/m，且各图中箭头度量标准相同。

图5详细示意图。

图6公式（1）。

图7公式（2）。

图8公式（3）。

图9公式（4）。

图10相关参数设置。

具体实施方式

海州露天煤矿，位于阜新车站东南3km处，在阜新市区南部太平区境内。全矿占地26.82km²，其中，采场6km²，排土场及排矸厂14.8km²，工业广场3.84km²，住宅及生活设施2.18km²。露天煤田最大范围为西端最大边界为W9+50m，东端最大边界为E29+50，东西长3.9km；南端最大边界为S5+00m，北端最大边界为N13+00m，南北宽1.8km。地表海拔标高为+165～+200m，平均+175m。地势东南高，西北低。露天矿设计开采深度为350m。

某边坡水平(x方向)长271m，高(z方向)157m，地质条件复杂，从上到下斜向分布着砂岩、砂质泥岩、砂岩、煤层、泥岩和砂质页岩，倾角约为-15°。由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8～1.2m的正态分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5～1m的正态分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。相关参数如图10所示。

模型的边界条件：给定煤层温度边界，参考海州露天矿实际情况，环境温度为25℃。模型下部和右部为固定边界。整个模型长(x方向)337m、高(z方向)207m，考虑到主要研究的是边坡剖面，且只在竖直(z方向)受重力作用及颗粒直径等因素，确定模型宽(y方向)为2.5m。模型示意如图3所示。

在煤层自燃过程中，随着燃烧煤的体积不断减小，上覆岩层产生裂隙，断裂和掉落。这个过程中岩体出现裂隙甚至裂缝，这些使岩体变得强度降低，边坡自由面可能产生落石甚至滑坡。为确定边坡的稳定性，找到在上述过程中产生的岩层破碎区域是极为关键的。对于岩土模型而言，在初始地应力场计算完成后，最大不平衡力达到设定值(10^-5)，将单元速度和位移设为0，认为岩土模型达到稳定平衡，作为进一步模拟的基础。研究岩层破碎区的范围，首先明确破裂是由于位移产生的空隙造成的，所以应根据模型中颗粒的位移情况判断破碎区范围，进而分析破碎区形成的特点。8步模拟过程的颗粒位移矢量如图4所示。

总体上，随着煤层自燃过程，岩体内产生位移的区域逐渐增大。位移量越接近煤层越大，竖直方向越远离煤层位移越小。黑色位移矢量分布也有一定的规律，第一步到第四步，位移矢量分布显三角形，从第五步后在岩体内的分布是折线的；在六、七、八步中，上部的位移矢量线有明显成层分布特征。下面就上述特征的描述、规律及产生的原因进行分析。

对于位移矢量线整体分布特证而言可以将图4子图分为两部分，图4-1～4-4的分布为三角形，图4-5～4-8的分布式折线的。广义上可将上述两个形状统称为“喇叭形”，即煤层自燃形成的岩体内部破碎区域可称为“喇叭裂隙带”。喇叭裂隙带为岩体内裂隙的主要分布区域，本例界定的位移量是0.1m(并不表征裂隙宽度)，即位移量大于0.1m的区域为喇叭裂隙带；上边界线(Lu)为分割岩体不同位移量的分界线，本例为0.1m；喇叭口高(H)为近似垂直于煤层倾角的且通过煤燃烧与未燃烧分界处的分界线，用于表示上边界线出现折线后的部分。上述概念图示见图4-3及图5所示。图4中的4-1～4-8图可知喇叭裂隙带随着燃空区深度的增加而扩大，原因是下层煤在燃烧过程中体积不断减小，支撑能力逐渐降低，导致上覆岩在重力作用下移动造成的；图4-1～4-4中没有形成折线，即没有H，这是燃空区与边坡自由面的距离较近，约束相对较少，裂隙发育充分造成的；同时可以看出Lu线在图4-1～4-4中的斜率略微减小，这说明随着燃空区深度增加，裂隙在其上方较远处的发展有所减小，这些较远的区域在岩性较好的条件下靠拉力维持一种“悬空”状态。

图4中4-5～4-8表征了裂隙发展进入了另一个状态。喇叭口出现且H的高度逐渐减小，是由于当燃空区发展到一定深度，地应力的增加，使边坡深部岩体有较强的自平衡能力，可以满足一定程度的应力重分布，进一步模拟表明第八步后的H值基本不变；另一方面Lu线的斜率进一步减小，表明裂隙在竖直方向上随着燃空区的深度发展向岩体上部侵入并不明显；岩性较好的较远区域的“悬空”状态进一步增加。

图4中4-6～4-8中上部的位移矢量线有明显成层分布特征，层与层之间的分界线为分层剥离线L。出现分层剥离现象是由于岩体靠近煤层的部分由于燃空失去下部支撑，该部分岩体自重达到了某种程度，破坏了这部分岩体与其上覆岩体的连接，造成了岩体裂缝L。L的特征为在同一步内，岩体中的L大体上是平行的，距离边坡自由面越远越平行，这是由于自由面附近岩体约束少且松散而岩体内部较完整且约束较强造成的；L与Lu大体平行；L的出现是周期性的，L之间的距离也较为平均，距离与岩体的密度、内聚力、岩体完整性，岩层倾角等因素有关。不同步内L的斜率是不同的，随着燃空区的发展，L的斜率逐渐减小，其原因与Lu线斜率减小是相同的。

就本例而言，随着燃空区的发展，裂隙向上部岩体进入现象的减弱并不一定对于边坡稳定是有利的。从表象上看，燃空区的发展到一定深度，边坡自由面上破碎区域的面积的增加是不明显的，会误认为自燃以停止，且破碎区影响不大，不采取措施治理。但是随着燃空区的发展，特别是煤层上覆岩层中有完整性较好且强度较大的岩体时，尤其危险。燃空区的发展造成煤层支撑进一步削弱，但上覆岩层内裂隙破碎发展趋于停止，造成完整性较好且强度较大岩体的大范围“悬空”形成“悬臂梁”，无法进行逐渐的柔性破坏，进而将来某时刻造成大范围的岩体刚性断裂，形成大的灾害。

Claims

1.一种确定残煤自燃对露天矿边坡稳定性影响的方法，其特征在于，使用PFC3D对露天矿边坡进行建模，在热力耦合的条件下，模拟残煤自燃至不同燃空区深度时，边坡内部的岩体破坏过程，进而确定影响边坡稳定的岩体破碎区；其包括如下步骤：边坡模型构建，自燃过程的模拟及稳定性分析；采用PFC3D的热力耦合模型处理煤颗粒之间及围岩的热力关系；颗粒半径的确定，由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡自由面裂缝间隔在0.8m到1.2m之间，将边坡颗粒ball半径设为0.8～1.2m的正态分布；煤层根据实际调查的节理裂隙特点将煤颗粒ball半径设为0.5～1m的正态分布；模型边界的确定，考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面；随着残煤自燃的发展，对于不同燃空区深度，进行递进式模拟，沿煤层倾角方向煤每燃烧20m进行一次模拟；为模拟自燃过程，应参考反应状态、实地残留物提取及相似模型研究，每间隔20m的煤燃烧残留体积与原体积比折合成颗粒半径比，比值为调整系数ε_i，设模拟为8段进行，共160m；对颗粒进行调整，燃烧后的颗粒半径等于原半径乘调整系数ε_i，ε_i＝{0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2}，i＝1～8，i表示某段煤层被模拟的次数；岩层破碎区范围的确定，首先明确破裂是由于位移产生的孔隙造成的，所以应根据模型中颗粒的位移情况判断破碎区范围，进而利用喇叭裂隙带、上边界线、喇叭口高和分层剥离线分析破碎区形成的特点，其中，喇叭裂隙带为煤层自燃形成的岩体内部破碎区域；上边界线为分割岩体不同位移量的分界线；喇叭口高为垂直于煤层倾角的且通过煤燃烧与未燃烧分界处的分界线，用于表示上边界线出现折线后的部分；位移矢量线有明显的分层特征，层与层之间的分界线为分层剥离线。