[發明專利]一種確定殘煤自燃對露天礦邊坡穩定性影響的方法

有效

• 申請號: 201410018570.3
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN104793260B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 孫寶志;王東;于永江;崔鐵軍;曹蘭柱
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: G01V9/00
• 分類號: G01V9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發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定性的影響。

背景技術

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。據資料統計，全國統配煤礦與重點煤礦中的自燃發火的火災次數占礦井火災總次數的94%，其中采空區內遺煤自燃火災次數又占總火災次數的60%，是井下發火最嚴重的部位。而海州露天礦礦坑已經測得有200余處發火點，主要發火點約有50處。從1953—2008年之間共發生了80次滑坡，其中，由殘煤自燃誘發達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。

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，有助于自燃的發展等。考慮到這些因素使用連續介質理論進行這種模擬并不妥當。

PFC3D(Particle Flow Code in3Dimensions)是Itasca公司2008年發布的一款高端產品，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的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發展問題、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、堆石材料特性和穩定性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統數值方法難以解決的問題。

為解決上述問題，嘗試使用非連續的顆粒流理論(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區范圍，也能進一步為研究燃空區最大深度提供依據。

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，也可按高斯分布規律分布,可以通過調整顆粒單元直徑調節孔隙率。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計算,采用顯式時步循環運算規則。根據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2個實體(顆粒與顆粒或顆粒與墻體)的相對運動，計算彼此的接觸力。

顆粒流理論基于以下假設:

1)顆粒單元為剛性體;

2)接觸發生在很小的范圍內,即點接觸;

3)接觸特性為柔性接觸,接觸處允許有一定的“重疊”量;

4)“重疊”量的大小與接觸力有關,與顆粒大小相比,“重疊”量很小;

5)接觸處有特殊的連接強度;

6)顆粒單元為圓盤形.

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。

PFC3D的熱模型可以模擬瞬態熱傳導，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的。

熱力耦合涉及的熱導參數是溫度和熱通量。這些變量與連續方程和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。

PFC3D熱力模型中主要給定的方程如下：

連續介質熱導方程如圖6所示公式（1）所示。

根據Fourier法則確定的連續介質熱通量與溫度梯度的關系如圖7所示公式（2）所示。

溫度的改變量ΔT與顆粒半徑R的關系如圖8所示公式（3）所示。

顆粒連接的鍵（bond force vector）力矢量如圖9所示公式（4）所示。

除此之外，還有數值離散化、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。