CN112417702A - 一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法 - Google Patents

一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，该方法分三种不同的工况研究内排土场的煤柱支挡效应，三种工况通过内排土场边坡线方程调控排土发展位置，基于载荷分布特征和支挡煤柱的几何形态参数，从支挡煤柱侧界面、底界面每点的应力状态出发，采用面域积分的方法，推导了煤柱支挡效应的数学表达式，实现了内排土场支挡煤柱力学效应的定量表征。本发明的方法考虑了排土载荷的影响，对煤柱支挡效应的分析更加接近实际，为后期的研究奠定理论基础。

Description

一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法
技术领域
本发明涉及露天开采技术领域，尤其涉及一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法。
背景技术
露天开采强化内排具有减少外排占地面积，降低剥离运距，提高设备作业效率等突出优势，也是治理煤自燃、扬尘与控制边坡稳定的最佳措施。然而，内排土场一旦形成，其稳定性直接影响露天煤矿采剥工程发展及人员和设备是否安全。国内一些大型露天煤矿的内排土场均发生过一定规模的滑坡或大变形现象，尤其是软弱基底内排土场。采用常规的治理措施，效果不显著。因此，留设煤柱是改善内排土场稳定性的最佳措施之一。研究煤柱三维支挡效应是计算内排土场边坡稳定性的前提，也是煤柱空间形态参数优化的基础，以往的研究忽略排土载荷的影响，易造成煤柱设计不合理，因此，迫切需要提出一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，填补在内排土场稳定性分析与煤柱形态参数优化研究方面的不足。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，包括如下步骤：
步骤1：确定内排土场边坡的地层岩性信息及岩土体物理力学参数；
步骤2：测量支挡煤柱的形态参数，包括：内底角ω、外底角β、上平面至水平面的高度h、顶宽b、支挡煤柱走向长度d；
步骤3：结合煤柱自重应力的分布规律及排弃物料载荷影响，以支挡煤柱底界面外侧角点O作为坐标原点，过原点与水平面平行的线作为直角坐标系的X轴，过原点与X轴的垂直线作为坐标系的Z轴，建立直角坐标系；
步骤4：将排土发展位置分为3种不同的工况，如图1所示，分别为：
工况一：排土发展至煤柱侧面；
工况二：排土发展至煤柱顶面；
工况三：排土发展过整个支挡煤柱；
步骤5：设支挡煤柱底面OC与内排土场基底完全贴合并与X轴成一定角度的倾角α，煤柱顶面AB与水平面平行，三种工况下排土发展位置边坡线在坐标系中用直线zp＝hp+xtanβp表示，其中βp为内排土场边坡角，hp为内排土场边坡线的纵截距；
步骤6：根据不同工况，将煤柱的梯形断面划分成不同的区域，包括：
工况一：边坡线zp＝hp+x tanβp与煤柱梯形断面交于BC上的一点G，从A、B、G向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点、F点和M点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEFB、梯形BFMG和三角形GMC四个区域，如图2所示；
工况二：边坡线zp＝hp+x tanβp与煤柱梯形断面交于AB上的一点G，从A、G、B向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点、M点和F点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEMG、梯形GMFB和三角形BFC四个区域，如图3所示；
工况三：边坡线zp＝hp+x tanβp在煤柱梯形断面的上方与煤柱梯形断面没有交点，从A、B向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点和F点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEFB和三角形BFC三个区域，如图4所示；
步骤7：根据不同工况下区域的划分情况，基于岩土体物理力学参数，计算每个区域的三维支挡效应Fi；
所述工况一下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱的三维支挡效应F1为：
Figure BDA0002818378110000021
其中，
Figure BDA0002818378110000023
为煤的内摩擦角，cm为煤的黏聚力，γm为煤的容重，
Figure BDA0002818378110000024
为基底岩层的内摩擦角，cj为基底岩层的黏聚力，k为侧压力系数；
梯形AEFB区煤柱三维支挡效应F2为：
Figure BDA0002818378110000022
四边形BFMG区煤柱三维支挡效应F3为：
Figure BDA0002818378110000031
三角形GMC煤柱三维支挡效应F4为：
Figure BDA0002818378110000032
其中：
Figure BDA0002818378110000033
A3、A4、A5、A6、A7、A8、A10均为中间变量。
所述工况二下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱的重力、形态与工况一相同，且不受排土发展位置的影响；
梯形AEMG区煤柱三维支挡效应F5为:
Figure BDA0002818378110000034
梯形GMFB区煤柱三维支挡效应F6为：
Figure BDA0002818378110000035
三角形BFC区的煤柱三维支挡效应F7为：
Figure BDA0002818378110000041
所述工况三下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱三维支挡效应F8为:
Figure BDA0002818378110000042
梯形AEFB煤柱三维支挡效应F9为:
Figure BDA0002818378110000043
三角形BFC区煤柱的重力、形态与工况二相同，仅上方排齐物料载荷不同，由内排土场边坡线方程控制，所以可以与工况二用同样的方程进行表示(方程中仅系数不同)。
步骤8：将不同工况下各区域计算得到的三维支挡效应Fi求和，即为不同工况下煤柱三维支挡效应F。
所述工况一下，煤柱三维支挡效应F＝F1+F2+F3+F4；
所述工况二下，煤柱三维支挡效应F＝F1+F5+F6+F7；
所述工况三下，煤柱三维支挡效应F＝F7+F8+F9。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，通过内排土场边坡线方程调控排土发展位置，基于载荷分布特征和支挡煤柱的几何形态参数，从支挡煤柱侧界面、底界面每点的应力状态出发，采用面域积分的方法，推导了煤柱支挡效应的数学表达式，实现了内排土场支挡煤柱力学效应的定量表征，该方法能够为内排土场边坡稳定性分析奠定理论基础，为煤柱空间形态参数优化提供技术支撑，对实现露天煤矿安全、高效开采具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明三种工况条件下断面形态示意；
图2为本发明工况一下区域划分情况示意图；
图3为本发明工况二下区域划分情况示意图；
图4为本发明工况三下区域划分情况示意图；
图5为本发明实施例中工况二下煤柱形态结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中以某露天煤矿矿区为例，该矿区地层由老至新分别为：煤系地层、第三系的砂土层与粘土层及第四系的粘土层，其中煤系地层主要以煤与泥岩为主要岩性，粘土层与泥岩层强度较软。排弃物料主要来自采场第四系粘土、第三系的砂砾岩及粘土和煤系地层的泥岩等，具有结构松散、强度较低的特性。
本实施例中一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，包括如下步骤：
步骤1：确定内排土场边坡的地层岩性信息及岩土体物理力学参数；
根据以往的岩石试验测试结果及边坡稳定性研究成果，确定的岩土体物理力学参数如表1所示，煤柱的侧压力系数为0.33。
表1岩土体物理力学指标
Figure BDA0002818378110000051
步骤2：测量支挡煤柱的形态参数，包括：内底角ω、外底角β、上平面至水平面的高度h、顶宽b、支挡煤柱走向长度d；
步骤3：以支挡煤柱底界面外侧角点O作为坐标原点，过原点与水平面平行的线作为直角坐标系的X轴，过原点与X轴的垂直线作为坐标系的Z轴，建立直角坐标系；
步骤4：将排土发展位置分为3种不同的工况，分别为：
工况一：排土发展至煤柱侧面；
工况二：排土发展至煤柱顶面；
工况三：排土发展过整个支挡煤柱；
本实施例中仅考虑工况二，排土发展至煤柱顶面的情况。
步骤5：设支挡煤柱底面OC与内排土场基底完全贴合并与X轴成一定角度的倾角α，煤柱顶面AB与水平面平行，三种工况下排土发展位置边坡线在坐标系中用直线zp＝hp+xtanβp表示，其中βp为内排土场边坡角，hp为内排土场边坡线的纵截距；
本实施例中，该矿将煤柱顶宽设置在+824水平，煤柱顶宽b＝20，煤柱走向长度d＝108m，基底倾角α＝2°，内排土场边坡角βp＝12°，外底角β＝34°，内底角ω＝29°，顶宽b＝20m，煤柱高度h＝36.88m，内排土场边坡线的纵截距hp＝21.98m，内排土场发展至煤柱顶面，煤柱形态如图5所示。
步骤6：根据工况二：边坡线zp＝hp+x tanβp与煤柱梯形断面交于AB上的一点G，从A、G、B向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点、M点和F点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEMG、梯形GMFB和三角形BFC四个区域；
步骤7：计算工况二情况下每个区域的三维支挡效应Fi；
所述工况一下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱三维支挡效应F1为：
Figure BDA0002818378110000061
梯形AEMG区煤柱三维支挡效应F5为:
Figure BDA0002818378110000062
梯形GMFB区煤柱三维支挡效应F6为：
Figure BDA0002818378110000063
三角形BFC区的煤柱三维支挡效应F7为：
Figure BDA0002818378110000071
步骤8：将工况二情况下各区域计算得到的三维支挡效应Fi求和，即煤柱三维支挡效应F＝F1+F5+F6+F7＝1.6378×106kN。

Claims (7)

1.一种兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定内排土场边坡的地层岩性信息及岩土体物理力学参数；
步骤2：测量支挡煤柱的形态参数，包括：内底角ω、外底角β、上平面至水平面的高度h、顶宽b、支挡煤柱走向长度d；
步骤3：以支挡煤柱底界面外侧角点O作为坐标原点，过原点与水平面平行的线作为直角坐标系的X轴，过原点与X轴的垂直线作为坐标系的Z轴，建立直角坐标系；
步骤4：将排土发展位置分为3种不同的工况，分别为：
工况一：排土发展至煤柱侧面；
工况二：排土发展至煤柱顶面；
工况三：排土发展过整个支挡煤柱；
步骤5：设支挡煤柱底面OC与内排土场基底完全贴合并与X轴成一定角度的倾角α，煤柱顶面AB与水平面平行，三种工况下排土发展位置边坡线在坐标系中用直线zp＝hp+xtanβp表示，其中βp为内排土场边坡角，hp为内排土场边坡线的纵截距；
步骤6：根据不同工况，将煤柱的梯形断面划分成不同的区域，包括：
工况一：边坡线zp＝hp+xtanβp与煤柱梯形断面交于BC上的一点G，从A、B、G向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点、F点和M点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEFB、梯形BFMG和三角形GMC四个区域；
工况二：边坡线zp＝hp+xtanβp与煤柱梯形断面交于AB上的一点G，从A、G、B向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点、M点和F点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEMG、梯形GMFB和三角形BFC四个区域；
工况三：边坡线zp＝hp+xtanβp在煤柱梯形断面的上方与煤柱梯形断面没有交点，从A、B向X轴画垂线，分别交煤柱梯形断面底部OC于E点和F点，煤柱梯形断面OABC划分成三角形AOE、梯形AEFB和三角形BFC三个区域；
步骤7：根据不同工况下区域的划分情况，计算每个区域的三维支挡效应Fi；
步骤8：将不同工况下各区域计算得到的三维支挡效应Fi求和，即为不同工况下煤柱三维支挡效应F。
2.根据权利要求1所述的兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于：所述工况一下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱的三维支挡效应F1为：
Figure FDA0002818378100000021
其中，
Figure FDA0002818378100000022
为煤的内摩擦角，cm为煤的黏聚力，γm为煤的容重，
Figure FDA0002818378100000023
为基底岩层的内摩擦角，cj为基底岩层的黏聚力，k为侧压力系数；
梯形AEFB区煤柱三维支挡效应F2为：
Figure FDA0002818378100000024
四边形BFMG区煤柱三维支挡效应F3为：
Figure FDA0002818378100000025
三角形GMC煤柱三维支挡效应F4为：
Figure FDA0002818378100000026
其中：
Figure FDA0002818378100000027
A3、A4、A5、A6、A7、A8、A10均为中间变量。
3.根据权利要求2所述的兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于，所述工况一下，煤柱三维支挡效应F＝F1+F2+F3+F4。
4.根据权利要求1所述的兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于，所述工况二下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱的重力、形态与工况一相同；
梯形AEMG区煤柱三维支挡效应F5为:
Figure FDA0002818378100000031
梯形GMFB区煤柱三维支挡效应F6为：
Figure FDA0002818378100000032
三角形BFC区的煤柱三维支挡效应F7为：
Figure FDA0002818378100000033
5.根据权利要求4所述的兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于，所述工况二下，煤柱三维支挡效应F＝F1+F5+F6+F7。
6.根据权利要求1所述的兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于，所述工况三下计算每个区域的三维支挡效应的过程如下：
三角形AOE区煤柱三维支挡效应F8为:
Figure FDA0002818378100000034
梯形AEFB煤柱三维支挡效应F9为:
Figure FDA0002818378100000041
三角形BFC区煤柱的重力、形态与工况二相同。
7.根据权利要求6所述的兼顾排土发展位置的煤柱支挡效应力学分析方法，其特征在于，所述工况三下，煤柱三维支挡效应F＝F7+F8+F9。
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Inventor before: He Xigetu

Inventor before: Xu Yongchao

Inventor before: Wang Mingyu

Inventor before: Zhao Lichun

Inventor before: Yang Guohua

Inventor before: Dong Ruirong

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