CN114218791A - 煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法和检测装置，分析方法包括：配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料；采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型，煤矿地下水库坝体由人工坝体将煤柱坝体连接而成；根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟，记录振动过程中人工坝体与煤柱坝体的连接部的应力值；根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性。本发明针对人工坝体与煤柱坝体的连接部的抗震安全性进行计算，根据计算结果给出煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的状态。

Description

煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法

技术领域

本发明涉及煤矿领域，尤其涉及一种煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法。

背景技术

现有技术中，对煤矿地下水库坝体结构抗震安全性分析主要考虑的对象是煤柱坝体结构。而实际上，煤矿地下水库由煤柱坝体和人工坝体连接而形成了整体的挡水结构，且两者是通过掏槽后将人工坝体嵌入至煤柱坝体进行连接，因此煤柱坝体与人工坝体的连接位置是相对薄弱的位置，因此有必要对煤矿地下水库坝体中煤柱坝体与人工坝体的连接位置的抗震安全性进行分析。

发明内容

基于以上问题，本发明提出一种煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，针对人工坝体与煤柱坝体的连接部的抗震安全性进行计算，根据计算结果给出煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的状态。

本发明提出一种煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，包括：

配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料；

采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型，煤矿地下水库坝体由人工坝体将煤柱坝体连接而成；

根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟，记录振动过程中人工坝体与煤柱坝体的连接部的应力值；

根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性。

此外，配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料包括：

获取与被模拟的煤矿地下水库同煤层的煤岩试样进行力学试验，得到煤矿地下水库煤柱坝体力学参数；

根据人工坝体的混凝土结构设计参数得到人工坝体力学参数；

根据煤矿地下水库煤柱坝体力学参数和人工坝体力学参数以及容重条件选择合适的材料配比，配置与人工坝体和煤柱坝体相符的相似材料。

此外，煤矿地下水库煤柱坝体力学参数至少包括：

煤柱坝体的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比和抗拉强度。

此外，人工坝体力学参数至少包括坝体：人工坝体的抗拉强度、泊松比和弹性模量。

此外，相似材料的原材料至少包括：中砂、重晶石、滑石粉、水泥、水、凡士林和硅油。

此外，采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型包括：

采用相似材料先浇筑煤柱坝体，再浇筑人工坝体，在人工坝体与煤柱坝体的连接部布置应力传感器，将水平加载装置沿着人工坝体嵌入到物理模型内部。

此外，根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟包括：

根据在煤矿地下水库坝体现场取得的矿震波形，通过振动台对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟。

此外，根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性包括：

煤矿地下水库坝体结构抗震安全性为：

其中，c为煤柱坝体粘聚力，p为煤柱坝体抗拉强度，θ为煤柱坝体内摩擦角，

为煤柱坝体薄弱位置与煤柱坝体临空面角度，q为振动试验过程中人工坝体与煤柱坝体连接部的最大应力值，l为人工坝体嵌入到煤柱坝体的深度。

此外，当k>1时，煤矿地下水库坝体结构处于安全状态。

本发明还提出一种采用如上任一项所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法的检测装置，包括：

振动台、模拟试验台架、监测数据采集系统、水平加载装置及煤矿地下水库坝体结构的物理模型；

模拟试验台架放置在振动台上方，煤矿地下水库坝体结构的物理模型放置在模拟实验台架内，在煤矿地下水库坝体结构的物理模型内的煤柱坝体和人工坝体连接处布置应力传感器，水平加载装置沿着人工坝体嵌入到模拟试验台架内，监测数据采集系统与应力传感器连接；

振动台震动后，应力传感器监测振动作用下煤柱坝体与人工坝体间的相互作用力，监测数据采集系统采集应力传感器的信号并转化为应力值，水平加载装置用于模拟物理模型受到侧向水压产生的梯度水平应力。

本发明针对人工坝体与煤柱坝体的连接部的抗震安全性进行计算，根据计算结果给出煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的状态。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性试验示意图；

图3为本发明一个实施例提供的煤矿地下水库坝体结构侧向水压装置结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的煤矿地下水库人工坝体与煤柱坝体连接位置安全性分析示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施方案和附图对本发明进行进一步的详细描述。其只意在详细阐述本发明的具体实施方案，并不对本发明产生任何限制，本发明的保护范围以权利要求书为准。

参照图1，本发明提出一种煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，包括：

步骤S001，配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料；

步骤S002，采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型，煤矿地下水库坝体由人工坝体将煤柱坝体连接而成；

步骤S003，根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟，记录振动过程中人工坝体与煤柱坝体的连接部的应力值；

步骤S004，根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性。

现有技术中，对煤矿地下水库坝体结构进行抗震安全分析的方法主要是数值模拟、试验模拟及理论分析。如：发明专利《一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置》(CN110455478A)提供了一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置，目的是实现大比尺高坝抗震模拟试验的振动频率分区可控模拟。论文《煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析》构建了煤矿地下水库相似材料模型进行了不同烈度条件下的动力破坏试验研究，并利用摩尔库伦模型对坝体在地震作用下的动力响应进行了数值仿真，研究了坝体的地震破坏形态、抗震薄弱环节以及影响因素；同时对同等条件下的地面水库坝体进行了模型试验和数值模拟，对比分析了地下水库与地面水库的抗震安全性。

本发明的是针对煤矿地下水库这一新型地下水工结构，通过钻孔取样得到煤矿地下水库煤柱坝体及上覆岩层试样，进行力学分析后建立物理模型；根据现场微震监测结果提取矿震波形，以此对煤矿地下水库的物理模型进行动力加载，并根据动力响应结果分析煤矿地下水库坝体结构的抗震安全性。

与发明专利《一种振动频率分区可控的坝体抗震试验模拟装置》(CN110455478A)、论文《煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析》中采用的方法相比，本发明最大的特点在于重点考虑了煤矿地下水库中煤柱坝体与人工坝体连接部位这一特殊结构的抗震安全性。

在步骤S001中，配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料；

通过对煤矿地下水库坝体进行钻孔采样，获取到煤矿地下水库坝体及上覆岩层试样，根据岩层试样配置相似材料。

步骤S002，采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型，煤矿地下水库坝体由人工坝体将煤柱坝体连接而成；通过建立物理模型提供试验的主体。

步骤S003，根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟，记录振动过程中人工坝体与煤柱坝体的连接部的应力值；通过矿震模拟，得到振动过程中人工坝体与煤柱坝体的连接部的应力值，为计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性准备必要数据。

步骤S004，根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性。

本发明针对人工坝体与煤柱坝体的连接部的抗震安全性进行计算，根据计算结果给出煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的状态。

在其中的一个实施例中，配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料包括：

获取与被模拟的煤矿地下水库同煤层的煤岩试样进行力学试验，得到煤矿地下水库煤柱坝体力学参数；

根据人工坝体的混凝土结构设计参数得到人工坝体力学参数；

根据煤矿地下水库煤柱坝体力学参数和人工坝体力学参数以及容重条件选择合适的材料配比，配置与人工坝体和煤柱坝体相符的相似材料。

采集与所要模拟的分布式煤矿地下水库同煤层的煤岩试验，进行岩石力学试验，获取煤柱坝体的力学参数，包括粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比及抗拉强度等。

考虑到人工坝体为混凝土结构，根据混凝土结构设计参数，获取人工坝体力学参数，包括抗拉强度、泊松比、弹性模量等。

选取中砂、重晶石为相似材料骨料，滑石粉、水泥、水、凡士林、硅油作为粘合剂和添加剂，配置抗震安全性试验模型的相似材料。

根据人工坝体力学参数、煤柱坝体力学参数及容重条件，选择合适的材料配比，配置与人工坝体和煤柱坝体结构相符的相似材料。

通过选取人工坝体和煤柱坝体结构相符的相似材料，使试验的准确度提高。

在其中的一个实施例中，煤矿地下水库煤柱坝体力学参数至少包括：

煤柱坝体的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比和抗拉强度。采集与所要模拟的分布式煤矿地下水库同煤层的煤岩试验，进行岩石力学试验，获取煤柱坝体的力学参数，包括粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比及抗拉强度等。

在其中的一个实施例中，人工坝体力学参数至少包括坝体：人工坝体的抗拉强度、泊松比和弹性模量。考虑到人工坝体为混凝土结构，根据混凝土结构设计参数，获取人工坝体力学参数，包括抗拉强度、泊松比、弹性模量等。

在其中的一个实施例中，相似材料的原材料至少包括：中砂、重晶石、滑石粉、水泥、水、凡士林和硅油。根据材料特性，选取中砂、重晶石为相似材料骨料，滑石粉、水泥、水、凡士林、硅油作为粘合剂和添加剂。

参照图2，在其中的一个实施例中，采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型包括：

采用相似材料先浇筑煤柱坝体，再浇筑人工坝体，在人工坝体与煤柱坝体的连接部布置应力传感器，将水平加载装置沿着人工坝体嵌入到物理模型内部。

配置完相似材料后，开始进行物理模型的浇筑。先浇筑煤柱坝体5、煤柱坝体8，再浇筑人工坝体6。在浇筑人工坝体9时，在人工坝体9与煤柱坝体8的连接部位处布置应力传感器9。应力传感器9用于检测人工坝体与煤柱坝体连接处的应力值。

煤矿地下水库坝体结构的物理模型养护完成，具有设计强度后，将水平加载装置7放置于指定位置，水平加载装置7用于模拟物理模型受到侧向水压产生的梯度水平应力。

在其中的一个实施例中，根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟包括：

根据在煤矿地下水库坝体现场取得的矿震波形，通过振动台对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟。

根据在煤矿地下水库坝体现场取得的矿震波形，通过振动台对煤矿地下水库坝体结构进行矿震模拟，记录振动过程中应力传感器产生的应力值q。

通过进行矿震模拟得到被模拟的煤矿地下水库坝体结构在震动中人工坝体9与煤柱坝体8的连接部位处的应力值。

在其中的一个实施例中，根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性包括：

煤矿地下水库坝体结构抗震安全性为：

其中，c为煤柱坝体粘聚力，p为煤柱坝体抗拉强度，θ为煤柱坝体内摩擦角，

为煤柱坝体薄弱位置与煤柱坝体临空面角度，q为振动试验过程中人工坝体与煤柱坝体连接部的最大应力值，l为人工坝体嵌入到煤柱坝体的深度。

q为振动试验过程中人工坝体与煤柱坝体连接部的最大应力值，通过应力传感器监测得到。其它参数通过试验中测量获取。

由于煤矿地下水库坝体结构抗震安全性需要获取的是整体安全性，而试验过程中仅能得到应力监测点位置的应力数据；同时为保证结构完整性，不能在结构内部布设传感器，因此煤矿地下水库坝体结构抗震性需通过表面监测数据间接分析得到。

煤矿地下水库坝体结构抗震安全性分析如图4所示。考虑到人工坝体所处位置101的强度要远高于煤柱坝体所处位置102的强度，且煤柱坝体受侧向水压及振动动载时，薄弱位置如104虚线所示。薄弱位置104与煤柱坝体临空面间的角度为

满足

其中θ为煤柱坝体内摩擦角。103为人工坝体与煤柱坝体的连接处。105为应力传感器放置处。

在其中的一个实施例中，当k>1时，煤矿地下水库坝体结构处于安全状态。

当计算得到的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性k值大于1时，判断煤矿地下水库坝体结构处于安全状态。反之小于等于1，则判断煤矿地下水库坝体结构处于危险状态，危险等级根据k值确定。

参照图2，本发明还提出一种检测装置，检测装置采用上述任一个实施例提出的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，检测装置包括：

振动台1、模拟试验台架3、监测数据采集系统、水平加载装置7及煤矿地下水库坝体结构的物理模型；

模拟试验台架3放置在振动台1上方，煤矿地下水库坝体结构的物理模型放置在模拟实验台架3内，在煤矿地下水库坝体结构的物理模型内的煤柱坝体5和8处和人工坝体6连接处布置应力传感器9，水平加载装置7沿着人工坝体嵌入到模拟试验台架3内，监测数据采集系统与应力传感器9连接；

振动台震动后，应力传感器9监测振动作用下煤柱坝体与人工坝体间的相互作用力，监测数据采集系统采集应力传感器9的信号并转化为应力值，水平加载装置7用于模拟物理模型受到侧向水压产生的梯度水平应力。

可选地，振动台1包括振动台面和固定螺孔2，模拟试验台架3通过底板螺栓与固定螺孔2与振动台面连接，以便于进行振动模拟试验.

可选地，煤矿地下水库坝体结构的物理模型包括煤柱坝体5、煤柱坝体8及人工坝体6，煤柱坝体和人工坝体接触面布置应力传感器9，监测振动作用下煤柱坝体与人工坝体相互作用力；

水平加载装置7的详细结构如图3所示，其原形状为一梯形弹性体，嵌入人工坝体6与模拟试验台架3后压缩成柱状体，如图3虚线部分所示。压缩后弹性体底面与顶面产生的弹性应力分别为kΔH1与kΔH2，从而模拟物理模型受到侧向水压产生的梯度水平应力；

由于现场的煤矿地下水库坝体的上方存在水压，且水压随着深度增加呈梯度形状，所以采用水平加载装置7模拟水对煤矿地下水库坝体产生的压力。

监测数据采集系统包括数据采集仪4及数据线10，用于采集应力传感器9的信号并转换成应力值记录下来。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，包括：

配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料；

采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型，煤矿地下水库坝体由人工坝体将煤柱坝体连接而成；

根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟，记录振动过程中人工坝体与煤柱坝体的连接部的应力值；

根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性。

2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

配置煤矿地下水库坝体结构的物理模型的相似材料包括：

获取与被模拟的煤矿地下水库同煤层的煤岩试样进行力学试验，得到煤矿地下水库煤柱坝体力学参数；

根据人工坝体的混凝土结构设计参数得到人工坝体力学参数；

根据煤矿地下水库煤柱坝体力学参数和人工坝体力学参数以及容重条件选择合适的材料配比，配置与人工坝体和煤柱坝体相符的相似材料。

3.根据权利要求2所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

煤矿地下水库煤柱坝体力学参数至少包括：

煤柱坝体的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比和抗拉强度。

4.根据权利要求2所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

人工坝体力学参数至少包括坝体：人工坝体的抗拉强度、泊松比和弹性模量。

5.根据权利要求2所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

相似材料的原材料至少包括：中砂、重晶石、滑石粉、水泥、水、凡士林和硅油。

6.根据权利要求1所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

采用相似材料建立煤矿地下水库坝体结构的物理模型包括：

采用相似材料先浇筑煤柱坝体，再浇筑人工坝体，在人工坝体与煤柱坝体的连接部布置应力传感器，将水平加载装置沿着人工坝体嵌入到物理模型内部。

7.根据权利要求1所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

根据提取的矿震波形对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟包括：

根据在煤矿地下水库坝体现场取得的矿震波形，通过振动台对煤矿地下水库坝体结构的物理模型进行矿震模拟。

8.根据权利要求1所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

根据获取到的煤柱坝体参数、应力值和抗震安全性计算公式计算煤矿地下水库坝体结构抗震安全性包括：

煤矿地下水库坝体结构抗震安全性为：

其中，c为煤柱坝体粘聚力，p为煤柱坝体抗拉强度，θ为煤柱坝体内摩擦角，

为煤柱坝体薄弱位置与煤柱坝体临空面角度，q为振动试验过程中人工坝体与煤柱坝体连接部的最大应力值，l为人工坝体嵌入到煤柱坝体的深度。

9.根据权利要求8所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法，其特征在于，

当k＞1时，煤矿地下水库坝体结构处于安全状态。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的煤矿地下水库坝体结构抗震安全性的分析方法的检测装置，其特征在于，包括：

振动台、模拟试验台架、监测数据采集系统、水平加载装置及煤矿地下水库坝体结构的物理模型；

模拟试验台架放置在振动台上方，煤矿地下水库坝体结构的物理模型放置在模拟实验台架内，在煤矿地下水库坝体结构的物理模型内的煤柱坝体和人工坝体连接处布置应力传感器，水平加载装置沿着人工坝体嵌入到模拟试验台架内，监测数据采集系统与应力传感器连接；

振动台震动后，应力传感器监测振动作用下煤柱坝体与人工坝体间的相互作用力，监测数据采集系统采集应力传感器的信号并转化为应力值，水平加载装置用于模拟物理模型受到侧向水压产生的梯度水平应力。

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