[发明专利]一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法

说明书

本发明涉及一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，属于矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，解决了现有技术中地下水库煤柱坝体设计方法具有盲目性、缺乏科学性和实用性的问题。该设计方法包括以下步骤：步骤一，不同含水率煤岩物理力学参数测试；步骤二，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型；步骤三，建立煤体理想弹塑性应变软化模型；步骤四，建立煤柱坝体弹塑性变形模型，获得煤柱坝体宽度计算方法。本发明的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法的数据计算量小，能够提高地下水库煤柱坝体设计中的可靠性及计算精度。

技术领域

本发明涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法。

背景技术

内蒙、山西、陕西、新疆、宁夏等西部省份是我国能源战略安全的重要煤炭生产基地，而省份位于我国干旱-缺水带和半干旱-少水带，水资源是制约该区域煤炭开采和保障生态安全的主导因素，并起基础配置作用。在生态脆弱的西部矿区，实现煤炭安全高效开采与保护地下水资源并重，是当前西部矿区煤炭开采所面临的重大难题。

已有学者提出利用煤炭开采后形成的采空区储水，利用采空区两侧巷道和回撤巷道的煤柱坝体、以及在巷道中建造的人工挡水坝共同构筑成煤矿地下水库。煤矿开采形成的采空区、边界煤柱、人工坝体和存储及用水设施等共同组成了地下水库系统。类似于地表水库，坝体的稳定性对于地下水库稳定性起着决定作用。地下水库坝体由采空区边界安全煤柱与人工坝体连接而成，而边界安全煤柱是地下水库坝体的主体部分，作为水库坝体主体部分，煤柱坝体既要确保煤炭安全开采，也要保障水库的长期安全有效运行。而地下水库煤柱坝体受力较为复杂，煤柱受到上覆岩层压力、矿压、水压、矿震等的作用，因此坝体稳定性的研究显得更加复杂。此外，煤柱坝体稳定性会受水的影响。水的侵入，使得煤柱的力学特性发生弱化，煤柱的强度降低，煤柱坝体稳定性受到极大影响。

现有地下水库煤柱坝体设计方法和技术主要依靠现场实践和经验的总结，实践过程中存在较大的盲目性，计算量大，且缺乏科学性和实用性。因此针对以上问题，在实际的地下水库建设中，迫切需要一种可靠性及计算精度高，且数据计算量小的煤柱坝体合理计算方法，以便为地下水库煤柱坝体设计提供有益参考。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种方法简单、合理可靠、准确的考虑上覆岩层压力作用、水压作用以及受水影响下强度弱化作用的煤柱坝体设计方法，用以解决现有技术中地下水库煤柱坝体设计方法和技术主要依靠现场实践和经验的总结，实践过程中存在较大的盲目性，缺乏科学性和实用性的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，包括以下步骤：

步骤一：进行不同含水率煤岩物理力学参数测试，获得水作用下煤样损伤演化特征参数；

步骤二：根据地质条件以及所述损伤演化特征参数，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型，分析煤柱内破坏区、塑性区和弹性区的分布范围以及应力分布规律；

步骤三：对煤样受压破坏进行塑性软化特征分析，得到煤体弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段的强度计算公式，建立煤体理想弹塑性应变软化模型；

步骤四：将煤柱坝体边缘到其内部深处，划分成破坏区、塑性区和弹性区，建立煤柱坝体弹塑性变形模型；开展煤柱极限平衡分析，得到煤柱坝体非弹性区宽度计算方法，从而得到煤柱坝体宽度计算方法。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步地，步骤三中，所述煤体弹性阶段的强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_c，