[发明专利]基于物理模拟试验的端帮开采支撑煤柱稳定性确定方法

说明书

本发明提供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，首先建立待监测工程地质的物理模拟试验模型，并模拟支撑煤柱随着载荷增加煤柱失稳的过程，采集各测点的竖向应力绘制应力曲线，根据应力曲线的形状判断煤柱是否发生失稳，回采过程中煤柱竖向应力呈马鞍形分布，处于稳定状态；分级加载过程中，煤柱宽度由小到大依次发生剪切破坏，煤柱中部竖向应力出现突增是失稳的前兆，将竖向应力突变拐点作为煤柱失稳预警判据；本发明可准确地模拟工程现场实际情况，为支撑煤柱的相关参数提供合理的设计依据。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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：

步骤1：构建待监测工程地质的物理模拟试验模型；

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；

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；

步骤4：根据应力曲线的形状判断煤柱是否发生失稳；

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。

所述步骤1包括：

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；

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；

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。

所述步骤2包括：

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；

步骤2.2：应力施加稳定后对采硐进行开挖；

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；

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。