一種確定殘煤自燃對露天礦邊坡穩(wěn)定性影響的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及煤的露天開采工程，特別是涉及確定殘存在露天煤礦邊坡內殘煤自燃對邊坡穩(wěn)定性的影響。
【背景技術】
[0002]露天煤礦邊坡內往往存在殘煤，由于儲量小，開采條件復雜，造成殘留。據(jù)資料統(tǒng)計，全國統(tǒng)配煤礦與重點煤礦中的自燃發(fā)火的火災次數(shù)占礦井火災總次數(shù)的94%，其中采空區(qū)內遺煤自燃火災次數(shù)又占總火災次數(shù)的60%，是井下發(fā)火最嚴重的部位。而海州露天礦礦坑已經測得有200余處發(fā)火點，主要發(fā)火點約有50處。從1953— 2008年之間共發(fā)生了 80次滑坡，其中，由殘煤自燃誘發(fā)達29次，占34%。可見對殘煤自燃引起的邊坡破壞的研究是相當必要的。
[0003]目前對露天礦邊坡的殘煤自燃對邊坡造成的影響研究較少，研究基本上是通過基于連續(xù)性介質條件對邊坡破壞的研究。但實際上，邊坡自由面一定深度內由于采動以形成非連續(xù)介質；原地質條件也可能是破碎巖體；形成裂隙后氧氣隨之進入巖體深部，有助于自燃的發(fā)展等。考慮到這些因素使用連續(xù)介質理論進行這種模擬并不妥當。
[0004]PFC3D (Particle Flow Code in3Dimens1ns)是 Itasca 公司 2OO8 年發(fā)布的一款高端產品，特別適合于復雜機理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細觀力學程序，它是從介質的基本粒子結構的角度考慮介質的基本力學特性，并認為給定介質在不同應力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題、以及顆粒的流動等大位移問題。在巖土體工程中可以用來研究結構開裂、堆石材料特性和穩(wěn)定性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統(tǒng)數(shù)值方法難以解決的問題。
[0005]為解決上述問題，嘗試使用非連續(xù)的顆粒流理論(PFC)對殘煤自燃進行模擬，以模擬巖體破碎，從而找到在不同燃空區(qū)深度時形成的破碎巖體范圍。研究能為有邊坡殘煤自燃隱患的露天礦提供可能的失穩(wěn)區(qū)范圍，也能進一步為研究燃空區(qū)最大深度提供依據(jù)。
[0006]顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質的運動及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發(fā)生平移和旋轉，可以彼此分離并且在計算過程中重新構成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規(guī)律分布，可以通過調整顆粒單元直徑調節(jié)孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎，對模型顆粒進行循環(huán)計算，采用顯式時步循環(huán)運算規(guī)則。根據(jù)牛頓第二定律確定每個顆粒由于接觸力或體積力引起的顆粒運動(位置和速度)，力-位移定律是根據(jù)2個實體(顆粒與顆?；蝾w粒與墻體)的相對運動，計算彼此的接觸力。
[0007]顆粒流理論基于以下假設:
[0008]I)顆粒單元為剛性體；
[0009]2)接觸發(fā)生在很小的范圍內，即點接觸；
[0010]3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；
[0011]4) “重疊”量的大小與接觸力有關，與顆粒大小相比，“重疊”量很?。?br>[0012]5)接觸處有特殊的連接強度；
[0013]6)顆粒單元為圓盤形.
[0014]顆粒流理論的接觸本構模型包括接觸剛度模型、庫侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型；連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。
[0015]PFC3D的熱模型可以模擬瞬態(tài)熱傳導，由PFC3D顆粒組成的儲熱材料，以及由于熱變引起的熱位移和熱應力。熱材料由儲熱器和熱導管組成，前者由PFC3D的顆粒組成，后者由顆粒之間的連接組成。熱傳導通過連接儲熱器的激活管道作為導體傳播。目前PFC3D的熱模型還不能模擬熱輻射和熱對流。熱拉力的產生是通過修改材料顆粒的半徑實現(xiàn)的。
[0016]熱力耦合涉及的熱導參數(shù)是溫度和熱通量。這些變量與連續(xù)方程和Fourier熱導法則有關。FPC3D中使用由Fourier法則演化的差分熱導方程代替了 Fourier法則，以使PFC3D可以在給定具體邊界條件和初始條件下，解算特殊幾何形狀和屬性的模型。
[0017]PFC3D熱力模型中主要給定的方程如下:
[0018]連續(xù)介質熱導方程如圖6所示公式(I)所示。
[0019]根據(jù)Fourier法則確定的連續(xù)介質熱通量與溫度梯度的關系如圖7所示公式(2)所示。
[0020]溫度的改變量AT與顆粒半徑R的關系如圖8所示公式(3)所示。
[0021]顆粒連接的鍵(bond force vector)力矢量如圖9所示公式(4)所示。
[0022]除此之外，還有數(shù)值離散化、熱導與熱阻關系等，由于篇幅所限不予以介紹，詳見PFC3D用戶手冊。
[0023]邊坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步驟，根據(jù)PFC3D用戶手冊PROBLEMSOLVING WITH PFC3d中的介紹，巖土問題數(shù)值分析的一般步驟如圖1所示。
[0024]對于任意建模過程，具體來說包括:顆粒的生成、邊界條件和初始條件的設置、選擇接觸模型和材料屬性、加載，解算和模型修改、結果分析。國內對于PFC3D建模研究不多，建立尾礦庫模型的顆粒流實際模型步驟，如圖2所示。

【發(fā)明內容】

[0025]由于PFC3D建模的特殊性，結合實際觀測邊坡(砂巖、砂質泥巖、砂巖)自由面裂縫間隔一般在0.8m到1.2m之間，故將顆粒(ball)半徑設為0.8?1.2m的正態(tài)分布。煤層根據(jù)實際調查的節(jié)理裂隙等特點將顆粒(ball)半徑設為0.5?Im的正態(tài)分布?？紤]到泥巖和砂質頁巖在礦場地平面以下，且在煤層以下，煤的自燃對這兩層巖體的影響較小，所以模型的下邊界定為煤層與泥巖的交界面。
[0026]模型的邊界條件:給定煤層溫度邊界，參考露天礦實際情況，環(huán)境溫度為25°C。模型下部和右部為固定邊界。整個模型長(X方向)337m、高(z方向)207m，考慮到主要研究的是邊坡剖面，且只在豎直(z方向)受重力作用及顆粒直徑等因素，確定模型寬(y方向)為 2.5m。
[0027]隨著殘煤自燃的發(fā)展，對于不同燃空深度，進行遞進式模擬，沿煤層傾角方向煤每燃燒20m進行一次模擬。就煤的自燃而言是一個復雜的過程，由于主要就煤自燃引起的邊坡內巖體結構破壞進行論述，所以主要模擬燃燒初始階段和快速燃燒階段，且由于煤自燃的溫度范圍內砂巖、砂質泥巖、砂巖的性質變化不大，所以不考慮溫變影響。筆者認為這兩個階段的煤層由于燃燒，體積不斷減小，無法支撐上覆巖層重力。當上覆一定厚度巖層因此產生的附加應力大于巖層內抗拉強度時，巖層產生裂隙、斷裂直至掉落。模擬參考反應狀態(tài)、實地殘留物提取及相似模型等研究，大體上認為在上述地質條件下，每間隔20m的煤燃燒殘留體積與原體積比折合成顆粒半徑比的比值是線性的，故設模擬為8段進行，共160m。對顆粒進行調整，燃燒后的顆粒半徑等于原半徑乘調整系數(shù)Si, Si=1.9，
0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2,}, i=l?8，，i表示某段煤層被模擬的次數(shù)。
[0028]在煤層自燃過程中，隨著燃燒煤的體積不斷減小，上覆巖層產生裂隙，斷裂和掉落。這個過程中巖體出現(xiàn)裂隙甚至裂縫，這些使巖體變得強度降低，邊坡自由面可能產生落石甚至滑坡。為確定邊坡的穩(wěn)定性，找到在上述過程中產生的巖層破碎區(qū)域是極為關鍵的。對于巖土模型而言,在初始地應力場計算完成后,最大不平衡力達到設定值(1(Γ5)，將單元速度和位移設為0，認為巖土模型達到穩(wěn)定平衡，作為進一步模擬的基礎。研究巖層破碎區(qū)的范圍，首先明確破裂是由于位移產生的空隙造成的，所以應根據(jù)模型中顆粒的位移情況判斷破碎區(qū)范圍，進而分析破碎區(qū)形成的特點。
[0029]煤層自燃形成的巖體內部破碎區(qū)域可稱為“喇叭裂隙帶”。喇叭裂隙帶為巖體內裂隙的主要分布區(qū)域，本例界定的位移量是0.1m(并不表征裂隙寬度)，即位移量大于0.1m的區(qū)域為喇叭裂隙帶；上邊界線(Lu)為分割巖體不同位移量的分界線，本例為0.1m ;喇叭口高(H)為近似垂直于煤層傾角的且通過煤燃燒與未燃燒分界處的分界線，用于表示上邊界線出現(xiàn)折線后的部分。位移矢量線有明顯成層分布特征，層與層之間的分界線為分層剝離線L。出現(xiàn)分層剝離現(xiàn)象是由于巖體靠近煤層的部分由于燃空失去下部支撐，該部分巖體自重達到了某種程度，破壞了這部分巖體與其上覆巖體的連接，造成了巖體裂縫L。
【附圖說明】
[0030]圖1巖土數(shù)值分析的推薦步驟。
[0031]圖2顆粒流實際模型建立的流程圖。
[0032]圖3模型示意圖。
[0033]圖4自燃過程中邊坡內部巖體顆粒位移示意圖，注:圖4-1?4-8的燃空區(qū)分別是20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m,圖中黑色矢量箭頭表示顆粒體的位移量/m,且各圖中箭頭度量標準相同。
[0034]圖5詳細示意圖。
[0035]圖6 公式(I)。
[0036]圖7 公式(2)。
[0037]圖8 公式(3)。
[0038]圖9 公式(4)。
[0039]圖10相關參數(shù)設置。
【具體實施方式】
[0040]海州