一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法

摘要

本发明提供了一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法，基于非贯通断续结构面理论，将端帮开采区域划分为空区，塑性屈服区以及弹性核区，通过整个剪切面空区、屈服区和弹性核区多占比例系数，对比莫尔‑库伦强度理论方程，推导演化弱层内聚力和演化弱层内摩擦角表达式；并沿煤柱走向将煤柱划分为若干条块，构建数值模拟计算模型，并计算随采深增加在不同支承应力及目标时间强度相互作用下，目标时间内聚力、目标时间内摩擦角以及煤柱两侧塑性区宽度，并研究煤柱两侧塑性曲宽度的变化规律，根据确立的演化弱层抗剪强度参数，基于刚体极限平衡法原理，对端帮开采条件下边坡稳定性进行定量分析，定量分析端帮开采对边坡稳定性的影响。

说明书

技术领域

本发明属于露天端帮开采领域，特别涉及一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法。

背景技术

我国露天矿数量及产量规模在持续增加，由于合理剥采比、开拓运输系统布置及开采边界限制等原因，开采后必然会在边坡下部形成大量的压覆资源(滞留煤)无法回收，带来重大资源与经济损失，还可能导致煤自燃、滑坡等安全及环境隐患。近年来，随着端帮开采工艺的不断完善和发展，为露天矿边坡滞留煤回收提供了重要途径。国内外学者对于单一露天开采条件下边坡稳定计算方法研究，获得了大量理论成果，并取得了良好的实践效果，但对于露井联采边坡稳定性计算方法研究，尚未形成统一的算法，尤其对于端帮开采条件下的坡稳定性计算方法基本没有提及。如何确定端帮开采条件下边坡的失稳破坏模式、定量分析端帮开采对边坡稳定性的影响，是端帮开采工艺在我国成功应用的前提和基础。因此，迫切需要提出一种端帮开采条件下的边坡稳定性计算方法，填补端帮开采条件下边坡形态设计与稳定性研究方面的不足。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的提出一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法。

有鉴于此，本发明提供了一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：基于非贯通断续结构面理论，将端帮开采区域划分为空区，煤柱塑性屈服区以及煤柱弹性核区，通过计算整个剪切面空区、煤柱塑性屈服区和煤柱弹性核区所占比例系数，并对比莫尔-库伦强度理论方程，推导演化弱层内聚力和演化弱层内摩擦角表达式；

步骤二：沿煤柱走向将煤柱划分为若干条块，构建数值模拟计算模型，并计算随着采深增加，在不同支承应力及目标时间强度相互作用下，目标时间内聚力、目标时间内摩擦角以及煤柱两侧塑性区宽度，并研究煤柱两侧塑性区宽度的变化规律；

步骤三：根据确立的演化弱层抗剪强度参数，基于刚体极限平衡法原理，对端帮开采条件下边坡稳定性进行定量分析。

优选地，所述步骤一具体为：根据整个剪切面空区、煤柱塑性屈服区和煤柱弹性核区多占比例系数，整个演化弱层的抗剪强度为：

其中，K

将式(1)与莫尔-库伦强度理论方程对比，得出演化弱层内聚力C

C

式中，C

其中空区内聚力C

优选地，所述步骤二中，目标时间内聚力、目标时间内摩擦角以及煤柱两侧塑性区宽度的表达式如下：

C

式中：C

式中：

式中：x

优选地，所述步骤三中，刚性极限平衡法原理采用剩余推力法对端帮开采条件下边坡稳定性进行定量分析，表达式为：

式中：E

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于非贯通断续结构面理论，对端帮开采区域进行了分区处理，通过数值模拟研究了煤柱在支承应力及目标时间强度相互作用下随开采深度增加两侧屈服区宽度变化规律，给出了演化弱层等效内聚力及内摩擦角确立过程，可用于定量分析端帮开采对边坡稳定性的影响，为端帮开采工艺在我国的成功应用奠定了理论基础。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中端帮开采区域分区示意图；

图2是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中沿采深方向煤柱的条块划分示意图；

图3是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中端帮开采边坡数值模拟模型示意图；

图4是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽5.4m的边坡稳定性的计算结果；

图5是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽5.6m的边坡稳定性的计算结果；

图6是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽5.8m的边坡稳定性的计算结果；

图7是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽6m的边坡稳定性的计算结果；

图8是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽6.2m的边坡稳定性的计算结果；

图9是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽6.4m的边坡稳定性的计算结果；

图10是本发明提供的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法中煤柱宽6.6m的边坡稳定性的计算结果。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

如图1至图10所示，本发明提供了本发明提供了一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：基于非贯通断续结构面理论，将端帮开采区域划分为空区，煤柱塑性屈服区以及煤柱弹性核区，通过整个剪切面空区、煤柱塑性屈服区和煤柱弹性核区多占比例系数，对比莫尔-库伦强度理论方程，推导演化弱层内聚力和演化弱层内摩擦角表达式；

根据端帮开采特点，硐室之间留设支撑煤柱，基于非贯通断续结构面理论，端帮开采区域相当于由空区和岩桥组成的非贯通断续结构面，在上覆岩层重力作用下易形成演化弱层，可能改变边坡潜在滑坡模式，由圆弧滑动转变为以演化弱层为底界面的切层-顺层滑动，沿煤柱倾向方向，演化弱层可认为由空区、煤柱塑性屈服区及煤柱弹性核区共同组成，如图1所示，在剪切过程中假定剪切面所通过的煤柱塑性屈服区和煤柱弹性核区都起抗剪作用。假设整个剪切面空区、屈服区及煤柱弹性核区(3区)所占比例系数分别为K

其中，K

将式(1)与莫尔-库伦强度理论方程对比，得出演化弱层内聚力C

C

式中，C

其中空区内聚力C

步骤二：沿煤柱走向将煤柱划分为若干条块，构建数值模拟计算模型，并计算随采深增加在不同支承应力及目标时间强度相互作用下，目标时间内聚力、目标时间内摩擦角以及煤柱两侧塑性区宽度，并研究煤柱两侧塑性区宽度的变化规律；

与井工开采的均布载荷相对应，由于边坡是斜坡，所以载荷不是均匀分布同等大小的，从坡脚到坡面逐渐增大，类似于三角形，因此在边坡“三角载荷”作用下，沿支撑煤柱走向方向，随采深增加，煤柱支承应力持续增大，同时煤柱暴露时间愈短，目标时间抗剪强度指标愈大，目标时间为煤柱服务时间，即端帮开采后，内排追踪到开采区域所需要的时间，内排压脚后，边坡将不会因为煤柱破坏而失稳，在支承应力及目标时间强度的相互作用下煤柱两侧塑性区宽度不同，因此为研究不同采深煤柱两侧塑性区宽度变化规律，如图2所示，以端帮开采4h、平均进尺5.5m划分为一研究条块，沿采深方向100m长煤柱共划分18个条块，构建数值模拟模型，如图3所示，分析各个条块在不同载荷和抗剪强度相互作用下，煤柱的支承应力和煤柱两侧屈服区宽度分布规律。

目标时间内聚力和目标时间内摩擦角的表达式如下：

C

其中：C

式中：

将目标时间带入公式(5)和(6)得到目标时间内聚力C

煤柱两侧塑性区宽度的表达式为：

式中：x

将支承应力σ

步骤三：根据确立的演化弱层抗剪强度参数，基于刚体极限平衡法原理，对端帮开采条件下边坡稳定性进行定量分析。

根据不同条块空区、煤柱塑性屈服区及煤柱弹性核区比例系数K

剩余推力法亦称为不平衡推力传递法。很多露天矿采用剩余推力法来计算边坡的稳定系数，剩余推力法作为一种条分法借助于滑坡构造特征分析及剩余推力计算是其主要的优点，即对于每一条块的剩余下滑力，其方向平行于该条块的底面，其中每个条块之间只传递压力不传递拉力，它适用于复杂荷载作用下的任意形状滑动面的滑坡推力的求解，最后一个条块的剩余下滑力为0。

剩余推力法假定条块间作用力的方向，其重要前提就是假设当前条块在分界面处对下一块体的推力的方向平行于当前条块的底滑面，然后根据平行于底滑面和垂直于底滑面两个方向的合力为零以及最前缘一块的剩余推力为零进行迭代求解，将整个滑体进行求解后，取其中的第i号条块，假定第i-1号条块传来的力的方向平行于第i-1号条块的底滑面，而第i号条块传给第i+1号条块的力的方向平行于第i号条块的底滑面。

表达式为：

式中：E

下面结合具体实施例对本发明涉及的一种端帮开采条件下边坡稳定性计算方法进一步详细说明：

实施例：某露天煤矿西端帮边坡高度约100m，地层呈层状近水平分布，在走向方向上地层岩性无明显变化，自上而下边坡各地层岩性分别为表土、粗砂岩、粉砂岩、21号煤及基底砂岩，如图2所示，应用端帮采煤机对21号煤层露头煤进行打硐回采，回采硐室断截面为矩形，宽2m，高2.5m，采深100m，3天完成一次回采工作。煤层顶底板以砂岩为主，各岩层的物理力学参数如表1所示。

表1煤岩体物理力学参数

根据露天煤矿工程地质条件，利用工程界应用广泛的有限差分软件FLAC

基于端帮开采区域等效抗剪强度参数表达式，计算沿边坡走向500m开采范围不同条块3区比例系数K

表1 5.6m宽煤柱各条块塑性区宽度分布规律及演化弱层参数

表2 5.8m宽煤柱各条块塑性区宽度分布规律及演化弱层参数

表3 6m宽煤柱各条块塑性区宽度分布规律及演化弱层参数

表4 6.2m宽煤柱各条块塑性区宽度分布规律及演化弱层参数

表5 6.4m宽煤柱各条块塑性区宽度分布规律及演化弱层参数

表6 6.6m宽煤柱各条块塑性区宽度分布规律及演化弱层参数

基于各宽度煤柱不同条块演化弱层的抗剪强度力学参数变化规律，应用刚体极限平衡法定量分析端帮开采不同煤柱宽度对边坡稳定性的影响，如图4至10所示，分析图4至图10可知，端帮开采条件下，同一宽度煤柱，随采深增加煤柱两侧塑性区宽度越来越大，西端帮潜在滑坡模式由圆弧滑动改变为以圆弧为侧界面演化弱层为底界面的切层-顺层滑动，上部岩层发生剪切破坏、下部沿演化弱层挤出。随着煤柱宽度的增加边坡稳定系数逐渐增大，煤柱宽度为5.6m、5.8m、6m、6.2m、6.4m及6.6m时，边坡稳定系数F