一种确定残煤自燃对露天矿边坡稳定性影响的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤的露天开采工程，特别是涉及确定残存在露天煤矿边坡内残煤自燃对边坡稳定性的影响。
【背景技术】
[0002]露天煤矿边坡内往往存在残煤，由于储量小，开采条件复杂，造成残留。据资料统计，全国统配煤矿与重点煤矿中的自燃发火的火灾次数占矿井火灾总次数的94%，其中采空区内遗煤自燃火灾次数又占总火灾次数的60%，是井下发火最严重的部位。而海州露天矿矿坑已经测得有200余处发火点，主要发火点约有50处。从1953— 2008年之间共发生了 80次滑坡，其中，由残煤自燃诱发达29次，占34%。可见对残煤自燃引起的边坡破坏的研究是相当必要的。
[0003]目前对露天矿边坡的残煤自燃对边坡造成的影响研究较少，研究基本上是通过基于连续性介质条件对边坡破坏的研究。但实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；原地质条件也可能是破碎岩体；形成裂隙后氧气随之进入岩体深部，有助于自燃的发展等。考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。
[0004]PFC3D (Particle Flow Code in3Dimens1ns)是 Itasca 公司 2OO8 年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。
[0005]为解决上述问题，尝试使用非连续的颗粒流理论(PFC)对残煤自燃进行模拟，以模拟岩体破碎，从而找到在不同燃空区深度时形成的破碎岩体范围。研究能为有边坡残煤自燃隐患的露天矿提供可能的失稳区范围，也能进一步为研究燃空区最大深度提供依据。
[0006]颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布，可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算，采用显式时步循环运算规则。根据牛顿第二定律确定每个颗粒由于接触力或体积力引起的颗粒运动(位置和速度)，力-位移定律是根据2个实体(颗粒与颗粒或颗粒与墙体)的相对运动，计算彼此的接触力。
[0007]颗粒流理论基于以下假设:
[0008]I)颗粒单元为刚性体；
[0009]2)接触发生在很小的范围内，即点接触；
[0010]3)接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的“重叠”量；
[0011]4) “重叠”量的大小与接触力有关，与颗粒大小相比，“重叠”量很小；
[0012]5)接触处有特殊的连接强度；
[0013]6)颗粒单元为圆盘形.
[0014]颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能传递作用力，并行连接模型可以承受作用力和力矩。
[0015]PFC3D的热模型可以模拟瞬态热传导，由PFC3D颗粒组成的储热材料，以及由于热变引起的热位移和热应力。热材料由储热器和热导管组成，前者由PFC3D的颗粒组成，后者由颗粒之间的连接组成。热传导通过连接储热器的激活管道作为导体传播。目前PFC3D的热模型还不能模拟热辐射和热对流。热拉力的产生是通过修改材料颗粒的半径实现的。
[0016]热力耦合涉及的热导参数是温度和热通量。这些变量与连续方程和Fourier热导法则有关。FPC3D中使用由Fourier法则演化的差分热导方程代替了 Fourier法则，以使PFC3D可以在给定具体边界条件和初始条件下，解算特殊几何形状和属性的模型。
[0017]PFC3D热力模型中主要给定的方程如下:
[0018]连续介质热导方程如图6所示公式(I)所示。
[0019]根据Fourier法则确定的连续介质热通量与温度梯度的关系如图7所示公式(2)所示。
[0020]温度的改变量AT与颗粒半径R的关系如图8所示公式(3)所示。
[0021]颗粒连接的键(bond force vector)力矢量如图9所示公式(4)所示。
[0022]除此之外，还有数值离散化、热导与热阻关系等，由于篇幅所限不予以介绍，详见PFC3D用户手册。
[0023]边坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步骤，根据PFC3D用户手册PROBLEMSOLVING WITH PFC3d中的介绍，岩土问题数值分析的一般步骤如图1所示。
[0024]对于任意建模过程，具体来说包括:颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。国内对于PFC3D建模研究不多，建立尾矿库模型的颗粒流实际模型步骤，如图2所示。
【发明内容】
[0025]由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8?1.2m的正态分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5?Im的正态分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。
[0026]模型的边界条件:给定煤层温度边界，参考露天矿实际情况，环境温度为25°C。模型下部和右部为固定边界。整个模型长(X方向)337m、高(z方向)207m，考虑到主要研究的是边坡剖面，且只在竖直(z方向)受重力作用及颗粒直径等因素，确定模型宽(y方向)为 2.5m。
[0027]随着残煤自燃的发展，对于不同燃空深度，进行递进式模拟，沿煤层倾角方向煤每燃烧20m进行一次模拟。就煤的自燃而言是一个复杂的过程，由于主要就煤自燃引起的边坡内岩体结构破坏进行论述，所以主要模拟燃烧初始阶段和快速燃烧阶段，且由于煤自燃的温度范围内砂岩、砂质泥岩、砂岩的性质变化不大，所以不考虑温变影响。笔者认为这两个阶段的煤层由于燃烧，体积不断减小，无法支撑上覆岩层重力。当上覆一定厚度岩层因此产生的附加应力大于岩层内抗拉强度时，岩层产生裂隙、断裂直至掉落。模拟参考反应状态、实地残留物提取及相似模型等研究，大体上认为在上述地质条件下，每间隔20m的煤燃烧残留体积与原体积比折合成颗粒半径比的比值是线性的，故设模拟为8段进行，共160m。对颗粒进行调整，燃烧后的颗粒半径等于原半径乘调整系数Si, Si=1.9，
0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2,}, i=l?8，，i表示某段煤层被模拟的次数。
[0028]在煤层自燃过程中，随着燃烧煤的体积不断减小，上覆岩层产生裂隙，断裂和掉落。这个过程中岩体出现裂隙甚至裂缝，这些使岩体变得强度降低，边坡自由面可能产生落石甚至滑坡。为确定边坡的稳定性，找到在上述过程中产生的岩层破碎区域是极为关键的。对于岩土模型而言,在初始地应力场计算完成后,最大不平衡力达到设定值(1(Γ5)，将单元速度和位移设为0，认为岩土模型达到稳定平衡，作为进一步模拟的基础。研究岩层破碎区的范围，首先明确破裂是由于位移产生的空隙造成的，所以应根据模型中颗粒的位移情况判断破碎区范围，进而分析破碎区形成的特点。
[0029]煤层自燃形成的岩体内部破碎区域可称为“喇叭裂隙带”。喇叭裂隙带为岩体内裂隙的主要分布区域，本例界定的位移量是0.1m(并不表征裂隙宽度)，即位移量大于0.1m的区域为喇叭裂隙带；上边界线(Lu)为分割岩体不同位移量的分界线，本例为0.1m ;喇叭口高(H)为近似垂直于煤层倾角的且通过煤燃烧与未燃烧分界处的分界线，用于表示上边界线出现折线后的部分。位移矢量线有明显成层分布特征，层与层之间的分界线为分层剥离线L。出现分层剥离现象是由于岩体靠近煤层的部分由于燃空失去下部支撑，该部分岩体自重达到了某种程度，破坏了这部分岩体与其上覆岩体的连接，造成了岩体裂缝L。
【附图说明】
[0030]图1岩土数值分析的推荐步骤。
[0031]图2颗粒流实际模型建立的流程图。
[0032]图3模型示意图。
[0033]图4自燃过程中边坡内部岩体颗粒位移示意图，注:图4-1?4-8的燃空区分别是20m、40m、60m、80m、100m、120m、140m、160m,图中黑色矢量箭头表示颗粒体的位移量/m,且各图中箭头度量标准相同。
[0034]图5详细示意图。
[0035]图6 公式(I)。
[0036]图7 公式(2)。
[0037]图8 公式(3)。
[0038]图9 公式(4)。
[0039]图10相关参数设置。
【具体实施方式】
[0040]海州