矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法技术

本发明专利技术提供了一种矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法。矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法包括：步骤S1：获取目标环境中的煤柱坝体制成a组不同尺寸的样品；步骤S2：对矿井水进行取样，并使用矿井水配置出多种溶液，各溶液中的硫酸根浓度和/或氯离子浓度不同；步骤S3：将样品浸泡在溶液中做以样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度为变量的3因素3水平正交试验；步骤S4：对完成浸泡后的各样品进行蠕变实验，以确定各样品的强度σ；步骤S5：拟合建立强度σ与样品尺寸、硫酸根及氯离子浓度之间的关系；步骤S6：根据强度σ和煤柱坝体的荷载P获取煤柱坝体的安全系数SF。本发明专利技术解决了现有技术中无法判断处于矿井水环境下煤柱坝体的稳定性的问题。体的稳定性的问题。体的稳定性的问题。

【技术实现步骤摘要】
矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法


[0001]本专利技术涉及矿山安全
，具体而言，涉及一种矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法。

技术介绍

[0002]目前，由于煤矿地下水库所处环境复杂，煤柱坝体不仅受到地应力、围岩作用、自重荷载、开采扰动等力学因素作用，也常年受到地下水、微生物等环境因素的侵蚀，尤其当地下水与区域煤系地层中碳酸盐类及硫酸盐类岩层接触后，水中富含Ca
2+
、Mg
2+
、N
+
、K
+
、HCO3‑
、SO42‑
等离子，形成高矿化度矿井水，侵蚀更加严重。如在神东矿区，硫化物污染等导致矿井环境中SO42‑
含量显著增加，在高渗透压作用下出现了严重的硫酸盐腐蚀现象，导致煤柱坝体服役性能劣化，甚至可能影响生产运行。
[0003]对于神东矿区高盐水地下水库，煤柱坝体腐蚀的问题不可忽略。但目前对矿井水有害离子腐蚀环境条件下的煤柱坝体承载性能预测还很难进行针对性预测，评估理论、评估因素和指标、评价方法和应用模型等一系列方面的问题尚没有系统的认识；实践过程中存在较大的盲目性，煤柱稳定性评估缺乏科学性和实用性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，以解决现有技术中无法判断处于矿井水环境下煤柱坝体的稳定性的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，包括：步骤S1：获取目标环境中的煤柱坝体，以制成a组不同尺寸的样品；步骤S2：对矿井水进行取样，并使用矿井水配置出多种溶液，各溶液中的硫酸根浓度和/或氯离子浓度不同，硫酸根浓度的取值为b个，氯离子浓度的取值为c个；步骤S3：将样品浸泡在溶液中做以样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度为变量的3因素3水平正交试验；步骤S4：对完成浸泡后的各样品进行蠕变实验，以确定各样品的强度σ；步骤S5：根据试验结果，拟合建立强度σ与样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度之间的关系；步骤S6：根据强度σ和煤柱坝体的荷载P获取煤柱坝体的安全系数SF，在安全系数SF大于或等于预设值时，判断煤柱坝体可在矿井水侵蚀环境下稳定使用；在安全系数SF小于预设值时，则需对煤柱坝体进行加固抗渗。
[0006]进一步地，制成a组不同尺寸的样品的方法包括：通过切削方式制成不同高宽比的a组样品，各组样品中包括至少五块高宽比一致的子样品，且同组内的全部子样品的波速在预设范围内。
[0007]进一步地，在步骤S2中，在对矿井水进行取样后，获取矿井水中的硫酸根浓度A和氯离子浓度B，使用矿井水配置多种溶液，以使各溶液中硫酸根浓度的取值为0.5A、1.0A及1.5A中的一个、氯离子浓度的取值为0.5B、1.0B及1.5B中的一个。
[0008]进一步地，矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法还包括位于步骤S3和步骤S4之间的步骤S30，步骤S30包括：检测浸泡在溶液内的样品对于溶液的吸收饱和度，待吸收
饱和度达到预设饱和度值后，将样品从溶液内取出以进行步骤S4。
[0009]进一步地，检测浸泡在溶液内的样品对于溶液的吸收饱和度的方法包括：每间隔预设时间段使用称重装置对承载溶液和样品的容器进行称重，若称重装置的称重值的变化量小于或等于预设变化量，则判断吸收饱和度达到预设饱和度值。
[0010]进一步地，在步骤S6中，根据强度σ和煤柱坝体的荷载P获取煤柱坝体的安全系数SF的方法包括：根据公式得出；其中，煤柱坝体的荷载P根据公式得出，x0为煤柱坝体的实际承载宽度；h为煤柱坝体的高度；θ为侧向支承角；H'为裂隙带高度；γ为工作面上覆岩层容重。
[0011]进一步地，获取煤柱坝体的实际承载宽度x0的方法包括：根据公式x0＝M
‑
2X得出；其中，M为煤柱坝体的宽度，煤柱边缘塑性区宽度X根据公式得出，β为极限强度所在面的侧压系数；H为煤柱坝体的高度；η为煤岩流变系数；σ
c
为煤柱坝体的单轴抗压强度；α为煤层倾角；为煤层与顶底板界面处的摩擦角；c为煤层与顶底板界面处的黏聚力；f为煤体平均体积力。
[0012]进一步地，a组样品的高宽比分别为2.5、3及3.5。
[0013]进一步地，在步骤S5中，在拟合建立强度σ与样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度之间的关系后，形成拟合函数σ＝f(A,B,σ)。
[0014]进一步地，在不同性质工作面中煤柱坝体的侧向支承角θ和裂隙带高度H'的取值满足：工作面顶板岩性质为坚硬时，侧向支承角θ为30
°
，且裂隙带高度H'满足：工作面顶板岩性质为中硬时，侧向支承角θ为20
°
，且裂隙带高度H'满足：工作面顶板岩性质为松软时，侧向支承角θ为10
°
，且裂隙带高度H'满足：其中，m为煤层开采厚度。
[0015]应用本专利技术的技术方案，先获取目标环境中的煤柱坝体，以制成a组不同尺寸的样品，再对矿井水进行取样，并使用矿井水配置出多种溶液，各溶液中的硫酸根浓度和/或氯离子浓度不同。之后，再将样品浸泡在溶液中做以样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度为变量的3因素3水平正交试验，对完成浸泡后的各样品进行蠕变实验，以确定各样品的强度σ，并根据试验结果，拟合建立强度σ与样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度之间的关系。最后：根据强度σ和煤柱坝体的荷载P获取煤柱坝体的安全系数SF，在安全系数SF大于或等于预设值时，判断煤柱坝体可在矿井水侵蚀环境下稳定使用；在安全系数SF小于预设值时，则需对煤柱坝体进行加固抗渗，进而提供了一种矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，提出煤柱坝体的荷载P与化学侵蚀作用下煤柱坝体的安全系数SF计算方法，推导其有效服役时间。这样，本申请中的矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法从理论实验并结合实际评估了矿井水侵蚀环境下煤柱坝体的强度，能够有效的得到煤柱稳定期，为保证矿井地下水库的安全运营提供了有效方法，进而解决了现有技术中无法判断处于矿井水环境下煤柱坝体的稳定性的问题。
附图说明
[0016]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0017]图1示出了根据本专利技术的矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法的实施例的流程图。
具体实施方式
[0018]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0019]需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0020]在本专利技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取目标环境中的煤柱坝体，以制成a组不同尺寸的样品；步骤S2：对矿井水进行取样，并使用所述矿井水配置出多种溶液，各溶液中的硫酸根浓度和/或氯离子浓度不同，所述硫酸根浓度的取值为b个，所述氯离子浓度的取值为c个；步骤S3：将所述样品浸泡在所述溶液中做以样品尺寸、所述硫酸根浓度及所述氯离子浓度为变量的3因素3水平正交试验；步骤S4：对完成浸泡后的各所述样品进行蠕变实验，以确定各所述样品的强度σ；步骤S5：根据试验结果，拟合建立强度σ与样品尺寸、硫酸根浓度及氯离子浓度之间的关系；步骤S6：根据所述强度σ和所述煤柱坝体的荷载P获取所述煤柱坝体的安全系数SF，在所述安全系数SF大于或等于预设值时，判断所述煤柱坝体可在矿井水侵蚀环境下稳定使用；在所述安全系数SF小于预设值时，则需对所述煤柱坝体进行加固抗渗。2.根据权利要求1所述的矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，其特征在于，制成a组不同尺寸的样品的方法包括：通过切削方式制成不同高宽比的a组样品，各组样品中包括至少五块高宽比一致的子样品，且同组内的全部子样品的波速在预设范围内。3.根据权利要求1所述的矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在对矿井水进行取样后，获取所述矿井水中的硫酸根浓度A和氯离子浓度B，使用所述矿井水配置多种溶液，以使各所述溶液中硫酸根浓度的取值为0.5A、1.0A及1.5A中的一个、氯离子浓度的取值为0.5B、1.0B及1.5B中的一个。4.根据权利要求1所述的矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，其特征在于，所述矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法还包括位于所述步骤S3和所述步骤S4之间的步骤S30，所述步骤S30包括：检测浸泡在所述溶液内的样品对于溶液的吸收饱和度，待所述吸收饱和度达到预设饱和度值后，将所述样品从所述溶液内取出以进行步骤S4。5.根据权利要求4所述的矿井水侵蚀环境下煤柱坝体稳定性预测方法，其特征在于，检测浸泡在所述溶液内的样品对于溶液的吸收饱和度的方法包...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，孙俊伟，方杰，贺安民，史新帅，宁建国，池明波，张勇，
申请(专利权)人：中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司北京低碳清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：