采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法与流程

本公开涉及采矿技术领域，尤其涉及一种采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法。

背景技术：

相似模拟法是指在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，并借助测试仪器观测模型内力学参数及其分布规律，再利用模型的研究结果去推断原型中可能发生的力学现象及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程中的实际问题。由于简化了工程地质条件，且可以在实验室内进行工程问题的研究，所以相似模拟法被广泛应用于地下工程领域。

在使用长壁式采煤法进行采煤的过程中，通常使用自然垮落法来处理采空区，然而，目前的相似模拟试验无论是采用石膏板，还是采用砂砾、石膏等配比的相似模拟材料都无法准确地模拟垮落岩石的碎胀效应，导致监测到的采场覆岩的移动规律、围岩的应力分布和围岩的变形破坏规律均与工程现场存在较大的误差。

因此，亟需一种能够应用于相似模拟试验中的采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法，该模拟方法克服了相似模拟试验中垮落层无法真实模拟的难题，更加利于研究煤层开采后采场围岩的应力分布和变形破坏。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的一个方面，提供一种采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法，在对煤层进行开采后形成采空区，位于所述煤层之上的垮落层垮落到所述采空区中形成垮落矸石，所述模拟方法用于对所述采空区中垮落矸石的碎胀效应进行模拟，其特征在于，所述模拟方法包括：

根据所述煤层之下的底板岩层的尺寸、所述煤层的尺寸、所述垮落层的尺寸和位于所述垮落层之上的覆岩顶板岩层的尺寸，结合相似模拟试验的相似比，确定出用于模拟所述底板岩层的第一相似层的尺寸、用于模拟所述煤层的第二相似层的尺寸、用于模拟所述垮落层的碎胀相似层的尺寸和用于模拟所述覆岩顶板岩层的第三相似层的尺寸；

根据所述垮落层中的岩石力学参数和岩石碎胀系数，确定出所述碎胀相似层中的岩石粒径、级配和粘结参数；

在试验台上依次铺设所述第一相似层、所述第二相似层、所述碎胀相似层和所述第三相似层；

对所述第二相似层进行挖掘形成模拟采空区，以使所述碎胀相似层垮落到所述模拟采空区中并形成垮落矸石，从而对所述采空区中垮落矸石的碎胀效应进行模拟。

在本公开的一种示例性实施例中，所述碎胀相似层包括第一顶岩层和第二顶岩层；所述第一顶岩层靠近所述第二相似层设置，用于模拟所述垮落层中垮落后矸石较小的岩层；所述第二顶岩层靠近所述第三相似层设置，用于模拟所述垮落层中垮落后矸石较大的岩层。

在本公开的一种示例性实施例中，所述岩石碎胀系数包括岩石初始碎胀系数和岩石残余碎胀系数；

根据所述垮落层中的岩石力学参数和岩石碎胀系数，确定出所述碎胀相似层中的岩石粒径、级配和粘结参数，包括：

获取所述垮落层中的所述岩石力学参数、所述岩石初始碎胀系数和所述岩石残余碎胀系数；

在碎胀相似材料中掺入预设粒径的岩石，以形成初始碎胀相似层；

获取所述初始碎胀相似层的力学参数、初始碎胀系数和残余碎胀系数；

对比所述初始碎胀相似层的力学参数和所述岩石力学参数、所述初始碎胀相似层的初始碎胀系数和所述岩石初始碎胀系、所述初始碎胀相似层的残余碎胀系数和所述岩石残余碎胀系数；

根据对比结果调整掺入所述碎胀相似材料中的岩石粒径、级配和粘结参数，直至所述初始碎胀相似层的力学参数等于所述岩石力学参数、所述初始碎胀相似层的碎胀系数等于所述岩石碎胀系、所述初始碎胀相似层的残余碎胀系数等于所述岩石残余碎胀系数，以确定出所述碎胀相似层中的岩石粒径、级配和粘结参数。

在本公开的一种示例性实施例中，根据对比结果调整掺入所述碎胀相似材料中的岩石粒径、级配和粘结参数，包括：

当所述初始碎胀相似层的力学参数小于所述岩石力学参数时，调大所述碎胀相似材料中的粘结参数；当所述初始碎胀相似层的力学参数大于所述岩石力学参数时，调小所述碎胀相似材料中的粘结参数；

当所述初始碎胀相似层的初始碎胀系数小于所述岩石初始碎胀系数时，调大掺入所述碎胀相似材料中的岩石粒径、并降低所述碎胀相似材料中的级配；当所述初始碎胀相似层的初始碎胀系数大于所述岩石初始碎胀系数时，调小掺入所述碎胀相似材料中的岩石粒径、并提高所述碎胀相似材料中的级配；

当所述初始碎胀相似层的残余碎胀系数大于所述岩石残余碎胀系数时，调小掺入所述碎胀相似材料中的岩石粒径、并提高所述碎胀相似材料中的级配；当所述初始碎胀相似层的残余碎胀系数小于所述岩石残余碎胀系数时，调大掺入所述碎胀相似材料中的岩石粒径、并降低所述碎胀相似材料中的级配。

在本公开的一种示例性实施例中，获取所述初始碎胀相似层的力学参数、初始碎胀系数和残余碎胀系数，包括：

利用所述初始碎胀相似层制作标准试件，并对所述标准试件进行力学试验，以测量出所述初始碎胀相似层的力学参数；

将所述初始碎胀相似层破碎，以测量出所述初始碎胀相似层的初始碎胀系数；

结合相似模拟试验中的应力相似比，对破碎后的所述初始碎胀相似层施加与所述垮落层所在位置相对应的压力，以测量出所述初始碎胀相似层的残余碎胀系数。

在本公开的一种示例性实施例中，所述碎胀相似材料由水、石膏粉、细沙和重晶石粉配比调制而成。

在本公开的一种示例性实施例中，在确定用于模拟所述底板岩层的第一相似层的尺寸、用于模拟所述煤层的第二相似层的尺寸、用于模拟所述垮落层的碎胀相似层的尺寸和用于模拟所述覆岩顶板岩层的第三相似层的尺寸之前，获取所述垮落层中的所述岩石力学参数、所述岩石初始碎胀系数和所述岩石残余碎胀系数，包括：

采集所述垮落层中的岩石样品；

对采集到的岩石样品进行力学试验和垮落试验，以获得所述岩石力学参数、所述岩石初始碎胀系数和所述岩石残余碎胀系数。

在本公开的一种示例性实施例中，在确定用于模拟所述垮落层的碎胀相似层的尺寸时，根据所述煤层的采煤高度和所述岩石初始碎胀系数计算出所述垮落层的最大高度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述垮落层的最大高度、所述采煤高度和所述岩石初始碎胀系数满足如下关系式：

hk＝hm/(k0-1)

式中，hk为所述垮落层的最大高度，hm为所述采煤高度，k0为所述岩石初始碎胀系数。

在本公开的一种示例性实施例中，在试验台上依次铺设所述第一相似层、第二相似层、所述碎胀相似层和所述第三相似层之后，及在对所述第二相似层进行挖掘形成模拟采空区之前，所述模拟方法还包括：

在所述第二相似层中挖出运输巷道和回风巷道，所述运输巷道和所述回风巷道平行设置，以模拟实际的开采过程。

公开实施方式的采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法，因为在实际的地质环境中，煤层之上依次存在垮落层和覆岩顶板岩层，对煤层进行开采后会形成采空区，垮落层垮落到采空区中形成垮落矸石，覆岩顶板岩层则压在垮落矸石上，而该模拟方法用来对垮落矸石的碎胀效应进行模拟。

具体而言，首先，根据底板岩层的尺寸、煤层的尺寸、垮落层的尺寸和位于垮落层之上的覆岩顶板岩层的尺寸，结合相似模拟试验的相似比，确定出用于模拟底板岩层的第一相似层的尺寸、用于模拟煤层的第二相似层的尺寸、用于模拟垮落层的碎胀相似层的尺寸和用于模拟覆岩顶板岩层的第三相似层的尺寸；其次，根据垮落层中的岩石力学参数和岩石碎胀系数，确定出碎胀相似层中的岩石粒径、级配和粘结参数；随后，在试验台上依次铺设第一相似层、第二相似层、碎胀相似层和第三相似层，当然，第一相似层、第二相似层及第三相似层满足尺寸要求、碎胀相似层满足岩石粒径、级配、粘结参数及尺寸要求；最后，对第二相似层进行挖掘形成模拟采空区，以使碎胀相似层垮落到模拟采空区中并形成垮落矸石，从而对采空区中垮落矸石的碎胀效应进行模拟。

也就是说，碎胀相似层中掺有预设粒径的岩石，利用岩石垮落后的体积增大即可模拟采空区内垮落矸石的碎胀效应，因此，该模拟方法克服了相似模拟试验中垮落层无法真实模拟的难题，更加利于研究煤层开采后采场围岩的应力分布和变形破坏。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施方式采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法的流程示意图。

图2是本公开实施方式第一相似层、第二相似层、碎胀相似层和第三相似层的示意图。

图3是本公开实施方式第二相似层中运输巷道和回风巷道的示意图。

图中：1、试验台；2、第一相似层；3、第二相似层；4、碎胀相似层；41、第一顶岩层；42、第二顶岩层；5、第三相似层；6、运输巷道；7、回风巷道；8、定向切缝。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的主要技术创意。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开实施方式中提供一种采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法，因为在实际的地质环境中，煤层之上依次存在垮落层和覆岩顶板岩层，对煤层进行开采后会形成采空区，垮落层垮落到采空区中形成垮落矸石，覆岩顶板岩层则形成较大的岩体并压在垮落矸石上，而该模拟方法用来对垮落矸石的碎胀效应进行模拟。

如图1所示，该模拟方法可包括以下步骤：

步骤s110，根据煤层之下的底板岩层的尺寸、煤层的尺寸、垮落层的尺寸和位于垮落层之上的覆岩顶板岩层的尺寸，结合相似模拟试验的相似比，确定出用于模拟底板岩层的第一相似层的尺寸、用于模拟煤层的第二相似层的尺寸、用于模拟垮落层的碎胀相似层的尺寸和用于模拟覆岩顶板岩层的第三相似层的尺寸；

步骤s120，根据垮落层中的岩石力学参数和岩石碎胀系数，确定出碎胀相似层中的岩石粒径、级配和粘结参数；

步骤s130，在试验台上依次铺设第一相似层、第二相似层、碎胀相似层和第三相似层；

步骤s140，对第二相似层进行挖掘形成模拟采空区，以使碎胀相似层垮落到模拟采空区中并形成垮落矸石，从而对采空区中垮落矸石的碎胀效应进行模拟。

本公开实施方式中的碎胀相似层4中掺有预设粒径的岩石，利用岩石垮落后的体积增大即可模拟采空区内垮落矸石的碎胀效应，因此，该模拟方法克服了相似模拟试验中垮落层无法真实模拟的难题，更加利于研究煤层开采后采场围岩的应力分布和变形破坏。

下面对本公开实施方式提供的模拟方法的各个步骤进行详细说明：

在步骤s110中，相似模拟试验的相似比可以为1:20、1:30或1：50等，具体取值可根据试验台1等相关试验设备的规格和实际煤层、垮落层及覆岩顶板岩层的尺寸而定，而试验台1可以为普通相似模拟试验台，此处不再详细描述。

由此，在现场测量出煤层、垮落层及位于垮落层之上的覆岩顶板岩层的尺寸后，再结合已经选取的相似比值，即可计算出模拟底板岩层的第一相似层2的尺寸、模拟煤层的第二相似层3、模拟垮落层的碎胀相似层4及模拟覆岩顶板岩层的第三相似层5的尺寸。

另外，因为垮落层可分为垮落后矸石较小的岩层和垮落后矸石较大的岩层，相应地，如图2所示，碎胀相似层4可包括第一顶岩层41和第二顶岩层42，其中：第一顶岩层41可靠近第二相似层3设置，用于模拟垮落层中垮落后矸石较小的岩层；第二顶岩层42可靠近第三相似层5设置，用于模拟垮落层中垮落后矸石较大的岩层。

在步骤s120中，根据垮落层中的岩石力学参数和岩石碎胀系数，确定出碎胀相似层4中的岩石粒径、级配和粘结参数。因为岩石碎胀系数包括岩石初始碎胀系数和岩石残余碎胀系数，在此基础上，步骤s120可以分为以下步骤：

步骤s1201，获取垮落层中的岩石力学参数、岩石初始碎胀系数和岩石残余碎胀系数。具体而言，步骤s1201可包括以下步骤：

(1)采集垮落层中的岩石样品；

(2)对采集到的岩石样品进行力学试验和垮落试验，以获得垮落层中的岩石力学参数、岩石初始碎胀系数和岩石残余碎胀系数。

需要注意的是，步骤s1201也可先于步骤s110进行，也就是说，在确定出第一相似层2、第二相似层3、碎胀相似层4和第三相似层5的尺寸之前，现场操作人员即可在垮落层中采取岩石样品，并对岩石样品进行力学试验和垮落试验，以确定出垮落层中的岩石力学参数、岩石初始碎胀系数和岩石残余碎胀系数。

由此，即可根据煤层的采煤高度(煤层实际高度)和岩石初始碎胀系数计算出垮落层的最大高度，且垮落层的最大高度、采煤高度和岩石初始碎胀系数满足如下关系式：

hk＝hm/(k0-1)

式中，hk为垮落层的最大高度，hm为采煤高度，k0为岩石初始碎胀系数。

也就是说，现场测量出采煤高度(煤层实际高度)后，即可通过上述关系式求解出垮落层的最大高度(垮落层实际高度)，进而确定出碎胀相似层4的高度，不但可以降低操作人员的工作强度，而且可提高试验效率。

步骤s1202，在碎胀相似材料中掺入预设粒径的岩石，以形成初始碎胀相似层。

举例而言，碎胀相似材料可以由水、石膏粉、细沙和重晶石粉配比调制而成，此处不再详细描述。

步骤s1203，获取初始碎胀相似层的力学参数、初始碎胀系数和残余碎胀系数。

具体而言，步骤s1203可包括以下步骤：

(1)利用初始碎胀相似层制作标准试件，并对标准试件进行力学试验，以测量出初始碎胀相似层的力学参数；

(2)将初始碎胀相似层破碎，以测量出初始碎胀相似层的初始碎胀系数；

(3)结合相似模拟试验中的应力相似比，对破碎后的初始碎胀相似层施加与垮落层所在位置相对应的压力，以测量出初始碎胀相似层的残余碎胀系数。

如前所示，相似模拟试验的相似比可以为1:20、1:30或1:50，而相似模拟试验中的应力相似比与相似模拟试验的相似比相等，也就是说，在现场测量或理论计算出垮落层所在位置的压力后，在此基础上，乘以1:20、1:30或1:50，即可求解出初始碎胀相似层需要施加的压力。破碎后的初始碎胀相似层受压后体积变小，比较受压前后的体积，即可确定出初始碎胀相似层的残余碎胀系数，此处不再详细描述。

步骤s1204，对比初始碎胀相似层的力学参数和岩石力学参数、初始碎胀相似层的初始碎胀系数和岩石初始碎胀系、初始碎胀相似层的残余碎胀系数和岩石残余碎胀系数。

步骤s1205，根据对比结果调整掺入碎胀相似材料中的岩石粒径、级配和粘结参数，直至初始碎胀相似层的力学参数等于岩石力学参数、初始碎胀相似层的碎胀系数等于岩石碎胀系、初始碎胀相似层的残余碎胀系数等于岩石残余碎胀系数，以确定出碎胀相似层4中的岩石粒径、级配和粘结参数。

具体而言，当初始碎胀相似层的力学参数小于岩石力学参数时，调大碎胀相似材料中的粘结参数；当初始碎胀相似层的力学参数大于岩石力学参数时，调小碎胀相似材料中的粘结参数。由此，即可确定出碎胀相似层4中的粘结参数。

当初始碎胀相似层的初始碎胀系数小于岩石初始碎胀系数时，调大掺入碎胀相似材料中的岩石粒径、并降低碎胀相似材料中的级配；当初始碎胀系数大于岩石初始碎胀系数时，调小掺入碎胀相似材料中的岩石粒径、并提高碎胀相似材料中的级配。

当初始碎胀相似层的残余碎胀系数大于岩石残余碎胀系数时，调小掺入碎胀相似材料中的岩石粒径、并提高碎胀相似材料中的级配；当初始碎胀相似层的残余碎胀系数小于岩石残余碎胀系数时，调大掺入碎胀相似材料中的岩石粒径、并降低碎胀相似材料中的级配。

也就是说，碎胀相似材料中的岩石粒径越小，初始碎胀相似层的初始碎胀系数越大，而初始碎胀相似层的残余碎胀系数越小；碎胀相似材料中的岩石粒径越大，初始碎胀相似层的初始碎胀系数越小，而初始碎胀相似层的残余碎胀系数越大。

同时，碎胀相似材料中的级配越小(粒径规格越单一)，初始碎胀相似层的初始碎胀系数和残余碎胀系数均越大；碎胀相似材料中的级配越大(粒径规格越多样)时，初始碎胀系数和残余碎胀系数均越小。

因此，需要综合考虑碎胀相似材料中的岩石粒径和级配，以使得初始碎胀相似层的碎胀系数等于岩石碎胀系、初始碎胀相似层的残余碎胀系数等于岩石残余碎胀系数，进而确定出碎胀相似层4中的岩石粒径和级配。

在步骤s130中，如图2所示，在试验台1上依次铺设第一相似层2、第二相似层3、碎胀相似层4和第三相似层5，此处不再详细描述。

在步骤s140中，可沿如图3所示的工作面推进方向s对第二相似层3进行挖掘形成模拟采空区，以使碎胀相似层4垮落到模拟采空区中并形成垮落矸石，从而对采空区中垮落矸石的碎胀效应进行模拟。

需要注意的是，在第一相似层2、第二相似层3、碎胀相似层4和第三相似层5铺设完成、且第一相似层2、第二相似层3、碎胀相似层4和第三相似层5的应力场平衡之后，及在对第二相似层3进行挖掘之前，本公开实施方式的模拟方法还可包括：

在第二相似层3中挖出运输巷道6和回风巷道7(如图3所示)，其中：运输巷道6和回风巷道7可平行设置，且运输巷道6和回风巷道7的尺寸可根据如前所述的模拟试验的相似比计算得来，以模拟实际的开采过程。

另外，如图2所示，碎胀相似层4中可预设有定向切缝8，也就是说，在铺设碎胀相似层4时可提前预制出定向切缝8，该定向切缝8可倾斜设置，从而使得模拟采空区形成后，碎胀相似层4能够沿定向切缝5垮落到模拟采空区中。

当然，也可不用预设定向切缝8，此处不作特殊限定。

应当理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。