CN109441537A - 一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，属于矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，解决了现有技术中地下水库煤柱坝体设计方法具有盲目性、缺乏科学性和实用性的问题。该设计方法包括以下步骤：步骤一，不同含水率煤岩物理力学参数测试；步骤二，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型；步骤三，建立煤体理想弹塑性应变软化模型；步骤四，建立煤柱坝体弹塑性变形模型，获得煤柱坝体宽度计算方。本发明的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法的数据计算量小，能够提高地下水库煤柱坝体设计中的可靠性及计算精度。

Description

一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法

技术领域

本发明涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法。

背景技术

内蒙、山西、陕西、新疆、宁夏等西部省份是我国能源战略安全的重要煤炭生产基地，而省份位于我国干旱-缺水带和半干旱-少水带，水资源是制约该区域煤炭开采和保障生态安全的主导因素，并起基础配置作用。在生态脆弱的西部矿区，实现煤炭安全高效开采与保护地下水资源并重，是当前西部矿区煤炭开采所面临的重大难题。

已有学者提出利用煤炭开采后形成的采空区储水，利用采空区两侧巷道和回撤巷道的煤柱坝体、以及在巷道中建造的人工挡水坝共同构筑成煤矿地下水库。煤矿开采形成的采空区、边界煤柱、人工坝体和存储及用水设施等共同组成了地下水库系统。类似于地表水库，坝体的稳定性对于地下水库稳定性起着决定作用。地下水库坝体由采空区边界安全煤柱与人工坝体连接而成，而边界安全煤柱是地下水库坝体的主体部分，作为水库坝体主体部分，煤柱坝体既要确保煤炭安全开采，也要保障水库的长期安全有效运行。而地下水库煤柱坝体受力较为复杂，煤柱受到上覆岩层压力、矿压、水压、矿震等的作用，因此坝体稳定性的研究显得更加复杂。此外，煤柱坝体稳定性会受水的影响。水的侵入，使得煤柱的力学特性发生弱化，煤柱的强度降低，煤柱坝体稳定性受到极大影响。

现有地下水库煤柱坝体设计方法和技术主要依靠现场实践和经验的总结，实践过程中存在较大的盲目性，计算量大，且缺乏科学性和实用性。因此针对以上问题，在实际的地下水库建设中，迫切需要一种可靠性及计算精度高，且数据计算量小的煤柱坝体合理计算方法，以便为地下水库煤柱坝体设计提供有益参考。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种方法简单、合理可靠、准确的考虑上覆岩层压力作用、水压作用以及受水影响下强度弱化作用的煤柱坝体设计方法，用以解决现有技术中地下水库煤柱坝体设计方法和技术主要依靠现场实践和经验的总结，实践过程中存在较大的盲目性，缺乏科学性和实用性的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，包括以下步骤：

步骤一：进行不同含水率煤岩物理力学参数测试，获得水作用下煤样损伤演化特征参数；

步骤二：根据地质条件以及所述损伤演化特征参数，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型，分析煤柱内破坏区、塑性区和弹性区的分布范围以及应力分布规律；

步骤三：对煤样受压破坏进行塑性软化特征分析，得到煤体弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段的强度计算公式，建立煤体理想弹塑性应变软化模型；

步骤四：将煤柱坝体边缘到其内部深处，划分成破坏区、塑性区和弹性区，建立煤柱坝体弹塑性变形模型；开展煤柱极限平衡分析，得到煤柱坝体非弹性区宽度计算方法，从而得到煤柱坝体宽度计算方法。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步地，步骤三中，所述煤体弹性阶段的强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_c，

式中：σ₁-煤体的最大主应力；σ₃-煤体的最小主应力；σ_c-弹性阶段煤体的单轴抗压强度，MPa；λ-应力系数， -有效内摩擦角，°。

进一步地，步骤三中，所述塑性软化阶段的煤体强度计算公式为：

式中：-煤体在塑性软化阶段的单轴抗压强度，MPa；-塑性变形；S_m-软化模量，MPa。

进一步地，步骤三中，所述塑性流变阶段的煤体强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_r，

式中：σ₁-煤体的最大主应力；σ₃-煤体的最小主应力；λ-应力系数， -有效内摩擦角，°；σ_r-残余强度，MPa。

进一步地，步骤四中，地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度x₀的计算公式为：

巷道一侧煤柱非弹性区宽度x₀’的计算公式为：

上述两式中：K₁-地下水库一侧垂直应力集中系数；K₂-巷道一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3；λ-应力系数；M-煤层厚度，m；f-煤层与顶底板界面处的摩擦系数；p-静水压力，Mpa；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；S_g-塑性区煤体应变梯度；为地下水库一侧煤体的残余强度；为地下水库一侧煤体的残余强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；

最终获得煤柱坝体宽度计算公式为：

W＝x₀+kM+x₀'，

式中，x₀为地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度，m；x₀'为巷道一侧煤柱非弹性区宽度，m；k-调整系数，≥2；M-煤层厚度，m。

进一步地，所述弹性区、塑性区和破坏区的特征分别用所述弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段来表征。

进一步地，步骤四中开展所述煤柱极限平衡分析时，作如下假设：煤体为均匀、连续的；煤体为各向同性的；将煤柱当成平面应变模型进行分析。

进一步地，进一步作如下假设：对于在塑性变形阶段的煤体，此刻煤层和顶、底板接触面间的粘结力极小，忽略不计。

进一步地，进一步作如下假设：煤层与顶、底板界面的摩擦系数一致；在煤层、煤层底板和煤层顶板间应力连续传递；由于沿着煤柱高度水压的变化较小，认为煤柱坝体地下水库一侧所受水压的作用是均匀的，仅考虑受静水压力作用。

进一步地，在步骤一之前，进行现场调研，在地下水库煤柱坝体采集煤岩样品并制成标准试样，对所述标准试样进行无损浸水试验，获得不同含水率状态下的煤样。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明提供的煤矿地下水库煤柱设计方法，基于上覆岩层压力作用、水压作用以及受水影响下强度弱化作用对煤柱坝体宽度共同作用规律，充分考虑地下水库煤柱坝体所处的实际情况，确定煤柱坝体最优的煤柱留设尺寸，为地下水库煤柱坝体设计提供有益参考。该设计方法简单易行，数据计算量小，且能较为准确地对煤矿地下水库煤柱坝体设计给出量化的结果，计算精度高，有利于保障地下水库煤柱坝体的安全性，对地下水库的安全建设和运营有指导意义，具有重要的理论意义和工程实践价值。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例中的煤柱弹塑性变形及应力分布图；

图2为实施例中的煤样全应力应变曲线；

图3为实施例中的煤样理想弹塑性应变软化模型；

图4为实施例中的煤柱坝体弹塑性变形模型图。

附图标记：

图1中：x₁,x₁'-破坏区；x₂,x₂'-塑性区；x₀,x₀'-非弹性区；a-弹性区；γ-上覆岩层容重；H-采深；K₁-地下水库一侧垂直应力集中系数；K₂-巷道一侧垂直应力集中系数；W-煤柱宽度

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，具体步骤如下：

步骤一：进行不同含水率煤岩物理力学参数测试，获得水作用下煤样损伤演化特征参数。

在实验室内利用岩石万能伺服试验机对不同含水率煤岩样品进行煤岩物理力学参数测试实验，得到不同含水率煤岩样品的物理力学性质，从而获得水作用下煤样损伤演化特征参数，即获得不同含水率煤岩样品的单轴抗压强度、残余强度及软化模量。

在进行不同含水率煤岩物理力学参数测试前，结合煤矿地下水库所处工程地质条件，进行现场调研，在地下水库煤柱坝体采集煤岩样品，将所取煤样加工成标准试样作为待测煤岩样品，对标准试样进行无损浸水试验，得到不同含水率状态下的煤岩样品。

步骤二：根据地质条件以及水作用下煤样损伤演化特征参数，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型，分析煤柱内破坏区、塑性区和弹性区的分布范围以及应力分布规律。

根据步骤一中获得的地下水库地质条件以及水作用下煤样损伤演化特征参数，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型，分析煤柱内破坏区、塑性区和弹性区分布范围以及应力分布规律，非弹性区包括破坏区和塑性区，具体的，如图1所示，地下水库煤柱坝体两侧均已采空，煤柱由边缘到内部依次发育有破坏区x₁,x₁'、塑性区x₂,x₂'和弹性区a，破坏区x₁,x₁'和塑性区x₂,x₂'合称为非弹性区x₀,x₀'。在煤柱破坏区内，煤体产生显著位移，强度大幅度降低，所承受的载荷低于原始应力；塑性区x₂,x₂'承载着的应力大于原始应力，为煤柱的主要承载部分；塑性区与弹性区的分界处，垂直应力达到了最大值；水库侧煤柱还受水压作用，故而，煤柱坝体两侧的应力集中系数是不同的；煤柱两边支撑应力峰值之间的部分为其弹性区a，非弹性区x₀,x₀'包裹着弹性区a，并受非弹性区x₀,x₀'的约束，弹性区的存在及其宽度是煤柱保持稳定性的关键。

步骤三：对煤样受压破坏进行塑性软化特征分析，得到煤体弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段的强度计算公式，建立煤体理想弹塑性应变软化模型。

煤体在载荷作用下的破坏特征较为复杂，是逐渐破坏的过程，在受到载荷作用时，煤样会发生变形、屈服，所受应力达到峰值应力后，煤样呈现出显著的塑性软化特征。为方便进行塑性软化特征分析，将图2所示的煤样全应力应变曲线简化成理想弹塑性应变软化模型，在理想弹塑性应变软化模型中，将煤体破坏过程分为三个阶段：弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段，如图3所示。

其中，煤体弹性阶段的强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_c，

式中：σ₁为煤体的最大主应力；σ₃为煤体的最小主应力；σ_c为弹性阶段煤体的单轴抗压强度，MPa；λ为应力系数， 为有效内摩擦角，°。

在煤体的塑性软化阶段内，采用软化模量S_m来表征煤体软化程度。在煤体的塑性软化阶段，其内聚力C发生明显减弱，而煤体的内摩擦角基本不发生变化。故而在塑性软化阶段，内摩擦角为一恒定量；对于煤体内聚力C而言，其取值受塑性变形的影响。最终，塑性软化阶段的煤体强度计算公式为：

式中：是煤体在塑性软化阶段的单轴抗压强度，MPa；为塑性变形；S_m为软化模量，MPa。

基于Mohr—Coulomb准则可知，处于弹塑性阶段的煤体，其强度计算公式为：

煤体处于塑性流变阶段时，其强度会逐渐降低至其残余强度σ_r，此时的煤体强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_r。

式中：σ_r为残余强度，MPa。

在获得的上述煤体弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段的强度计算公式的基础上，完成煤体理想弹塑性应变软化模型的建立。

步骤四：将煤柱坝体边缘到其内部深处，划分成破坏区、塑性区和弹性区，建立煤柱坝体弹塑性变形模型；开展煤柱极限平衡分析，得到煤柱坝体非弹性区宽度计算方法，从而得到煤柱坝体宽度计算方法。

地下水库煤柱坝体受力较为复杂，煤柱受到上覆岩层压力、水压、矿震等的作用，因此坝体稳定性的研究显得更加复杂。本发明将考虑上覆岩层压力及水压作用，进行煤柱坝体弹塑性区分析。将煤柱坝体边缘到其内部深处，划分成破坏区、塑性区和弹性区，其中破坏区内应力低于原岩应力，塑性区内应力大于原岩应力。运用弹塑性理论，结合步骤三，将煤体的弹性区、塑性区和破坏区的特征分别用煤体理想弹塑性应变软化模型中的弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段来表征。同时，开展煤柱极限平衡分析时，作如下假设：

①煤体为均匀、连续的；

②煤体为各向同性的；

③将煤柱当成平面应变模型进行分析

④对于在塑性变形阶段的煤体，此刻煤层和顶、底板接触面间的粘结力极小，忽略不计；

⑤煤层与顶、底板界面的摩擦系数一致；

⑥在煤层、煤层底板和煤层顶板间应力是可以连续传递的；

⑦由于沿着煤柱高度水压的变化较小，认为煤柱坝体地下水库一侧所受水压p的作用是均匀的，在此仅考虑受静水压力作用；

基于上述假设，在煤柱坝体边沿非弹性区内任取宽度为dx的单元体，该单元体在平行于煤层顶底板方向的挤压力作用下会向采空区方向压出，而煤层与顶底板交界面上的摩擦力会阻止该单元体的压出，图4示出了该单元体的受力状态，开展此单元体的煤柱极限平衡分析。

该单元体的受力平衡方程为：

Mσ_x-M(σ_x+dσ_x)+2σ_yfdx＝0

式中：f-煤层与顶底板界面处的摩擦系数，

煤柱非弹性区宽度：在破坏区，煤体的强度为：

σ₁＝λσ₃+σ_r

实际上，煤柱坝体的两侧均为临空面，σ_y要远大于σ_x，可将σ₁换为σ_y，将σ₃换为σ_x，此时，破坏区煤体的强度如下所示：

σ_y＝λσ_x+σ_r

地下水库一侧边界条件，当x＝0时，σ_x＝p，p为地下水库一侧煤柱所受静水压力，且令得到破坏区煤体的垂直应力和水平应力的计算公式分别为：

和

在塑性区内，煤体的受压变形特征是近乎于线性变化的，得到下列计算公式：

式中：S_g-塑性区煤体应变梯度；x₀-地下水库一侧煤柱非弹性区宽度，m；x-煤体边缘与应变点之间的距离，m。

进一步获得塑性区煤体的强度计算公式为：

假设在煤体的破坏区和塑性区的交界处应力没有发生突变，是连续传递的。那么，若煤体边缘与应变点之间的距离x与煤体破坏区宽度x₁刚好相等，此刻交界处应力相等，从而得到煤体塑性区宽度的计算公式：

得到塑性区的应力σ_y的计算公式为：

当煤体边缘与应变点之间的距离x刚好等于x₀时(即弹性区和非弹性区交界处)，此刻煤柱上方的所受应力相等，σ_y＝K₁γH，K₁-地下水库一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3。因而得到以下关系式：

得到地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度x₀的计算公式为：

式中：K₁-地下水库一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3；λ-应力系数；M-煤层厚度，m；f-煤层与顶底板界面处的摩擦系数；p-静水压力，Mpa；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；S_g-塑性区煤体应变梯度；为地下水库一侧煤体的残余强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；

巷道一侧煤体破坏区边界条件为，当x＝0时，σ_x'＝0，且令此时破坏区煤体的垂直应力和水平应力的计算公式分别为：

和

在塑性区，同样可以得到：

依据破坏区煤体强度的分析，同样可以得到塑性区内煤体的强度计算公式为：

塑性区的应力σ_y'：

令x＝x₀'时，σ_y'＝K₂γH，K₂-巷道一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3，从而得到：

转化后得到巷道一侧煤柱非弹性区的宽度x₀'，计算公式为：

式中：K₂-巷道一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3；λ-应力系数；M-煤层厚度，m；f-煤层与顶底板界面处的摩擦系数；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；S_g-塑性区煤体应变梯度；为地下水库一侧煤体的残余强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；

考虑到地下水库煤柱坝体稳定的基本要求，即在煤柱内部区域须有足够宽度的弹性区a，弹性区a的宽度需至少为煤柱高度的两倍。由此得到煤柱坝体宽度计算公式：

W＝x₀+kM+x₀'

式中，x₀为地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度，m；x₀'为巷道一侧煤柱非弹性区宽度，m；k为调整系数，≥2；M为煤层厚度，m。

下面以西部矿区麻地梁煤矿(5号煤)地下水库煤柱坝体宽度求取为例，对本实施例做进一步说明：

参考前人已有的研究成果并结合取样地点的地质概况等因素，确定计算公式所选取的基准值见表1。

表1计算公式所选取的基准值表

通过不同含水率煤样力学参数测试，得到煤样单轴抗压强度和残余强度，如表2。

表2不同含水率煤样的单轴抗压强度和残余强度表(单位：MPa)

跟据实施例中的上述计算步骤，得到地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度x₀和巷道一侧煤柱非弹性区宽度x₀’的计算结果为：

令弹性区的宽度为煤柱高度的2倍，即k值取2，从而，最终得到煤柱坝体宽度为：

W＝x₀+kM+x₀'

＝5.05+2×5+3.87

＝18.92m

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，包括以下步骤：

步骤一：进行不同含水率煤岩物理力学参数测试，获得水作用下煤样损伤演化特征参数；

步骤二：根据地质条件以及所述损伤演化特征参数，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型，分析煤柱内破坏区、塑性区和弹性区的分布范围以及应力分布规律；

步骤三：对煤样受压破坏进行塑性软化特征分析，得到煤体弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段的强度计算公式，建立煤体理想弹塑性应变软化模型；

步骤四：将煤柱坝体边缘到其内部深处，划分成破坏区、塑性区和弹性区，建立煤柱坝体弹塑性变形模型；开展煤柱极限平衡分析，得到煤柱坝体非弹性区宽度计算方法，从而得到煤柱坝体宽度计算方法。

2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，步骤三中，所述煤体弹性阶段的强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_c，

式中：σ₁-煤体的最大主应力；σ₃-煤体的最小主应力；σ_c-弹性阶段煤体的单轴抗压强度，MPa；λ-应力系数， -有效内摩擦角，°。

3.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，步骤三中，所述塑性软化阶段的煤体强度计算公式为：

式中：-煤体在塑性软化阶段的单轴抗压强度，MPa；-塑性变形；S_m-软化模量，MPa。

4.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，步骤三中，所述塑性流变阶段的煤体强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_r，

式中：σ₁-煤体的最大主应力；σ₃-煤体的最小主应力；λ-应力系数， -有效内摩擦角，°；σ_r-残余强度，MPa。

5.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，步骤四中，地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度x₀的计算公式为：

巷道一侧煤柱非弹性区宽度x₀’的计算公式为：

式中：K₁-地下水库一侧垂直应力集中系数；K₂-巷道一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3；λ-应力系数；M-煤层厚度，m；f-煤层与顶底板界面处的摩擦系数；p-静水压力，Mpa；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；S_g-塑性区煤体应变梯度；为地下水库一侧煤体的残余强度；为地下水库一侧煤体的残余强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；

最终获得煤柱坝体宽度计算公式为：

W＝x₀+kM+x₀'，

式中，x₀为地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度，m；x₀'为巷道一侧煤柱非弹性区宽度，m；k-调整系数，≥2；M-煤层厚度，m。

6.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，所述弹性区、塑性区和破坏区的特征分别用所述弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段来表征。

7.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，步骤四中开展所述煤柱极限平衡分析时，作如下假设：

煤体为均匀、连续的；

煤体为各向同性的；

将煤柱当成平面应变模型进行分析。

8.根据权利要求7所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，进一步作如下假设：

对于在塑性变形阶段的煤体，此刻煤层和顶、底板接触面间的粘结力极小，忽略不计。

9.根据权利要求8所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，进一步作如下假设：

煤层与顶、底板界面的摩擦系数一致；

在煤层、煤层底板和煤层顶板间应力连续传递；

由于沿着煤柱高度水压的变化较小，认为煤柱坝体地下水库一侧所受水压的作用是均匀的，仅考虑受静水压力作用。

10.根据权利要求1-9所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，在步骤一之前，进行现场调研，在地下水库煤柱坝体采集煤岩样品并制成标准试样，对所述标准试样进行无损浸水试验，获得不同含水率状态下的煤样。