[发明专利]一种确定残煤自燃对露天矿边坡稳定性影响的方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

PFC3D(Particle Flow Code in3Dimensions)是Itasca公司2008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。

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。

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。

颗粒流理论基于以下假设:

1)颗粒单元为刚性体;

2)接触发生在很小的范围内,即点接触;

3)接触特性为柔性接触,接触处允许有一定的“重叠”量;

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;

5)接触处有特殊的连接强度;

6)颗粒单元为圆盘形.

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。

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。

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。

PFC3D热力模型中主要给定的方程如下：

连续介质热导方程如图6所示公式（1）所示。

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。

温度的改变量ΔT与颗粒半径R的关系如图8所示公式（3）所示。

颗粒连接的键（bond force vector）力矢量如图9所示公式（4）所示。

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。