采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法技术

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。煤层开采后位于煤层之上的垮落层垮落形成垮落矸石，该模拟方法包括：确定出模拟底板岩层的第一相似层的尺寸、模拟煤层的第二相似层的尺寸、模拟垮落层的碎胀相似层的尺寸和模拟覆岩顶板岩层的第三相似层的尺寸；根据垮落层的岩石碎胀系数，确定出碎胀相似层中的岩石粒径、级配及粘结参数；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；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。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。

Simulation method of broken swelling effect of caving gangue in Goaf

【技术实现步骤摘要】
采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法
本公开涉及采矿
，尤其涉及一种采空区垮落矸石碎胀效应的模拟方法。
技术介绍
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
技术介绍
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。
技术实现思路
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。为实现上述专利技术目的，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。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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：/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一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。


2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，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。


4.根据权利要求3所述的模拟方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚军，王浩森，王琦，何满潮，杨军，田喜春，薛浩杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11