煤矿地下水库煤柱坝体地震安全性的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其设及一种煤矿地下水 库煤柱巧体地震安全性的检测方法。
【背景技术】
[0002] 我国是缺水国家，水资源短缺现象对国民经济发展和人民生活的改善构成了严重 威胁。矿井水在煤炭开采过程中不可避免产生，作为一种宝贵的水资源，仅国有重点煤矿 每年排放的矿井水就高达22亿吨，平均每开采一顿煤需要排放2吨废水。一方面，矿井水 的外排，不仅浪费了大量宝贵的水资源，而且对周边环境极易构成严重的环境污染。另一方 面，我国西部地区赋存着丰富的煤炭资源，但水资源匿乏，使得矿区用水及周边区域用水紧 张的进一步恶化，已经严重制约了矿区的正常生产，不利于资源与环境的协调发展。因此为 保护和利用矿区水资源而提出了一种新的结构形式--煤矿地下水库，即将安全煤柱用人 工巧体连接形成水库巧体，利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储存矿井水和地下水。而 为了保证矿井的可持续开发和生产，必须完全保证煤矿地下水库在建设和运营过程中的安 全性。
[0003] 煤矿地下水库在常规条件下的安全保障技术W及较为成熟，如根据煤矿地下水库 实际情况分析水库稳定性薄弱部位，布置相关指标监测传感器，分析地下水库的渗漏、水 位、水质、水量、巧体应力应变等关键参数，通过信息化监测技术，实时监测巧体稳定性指 标；同时根据地下水库监测数据的分析，利用自动控制技术，建立地下水库应急保障技术， 当水量、水位等指标超过预警时，通过疏排水阀口等设备对水库运行状态进行调节，将水排 泄至泄水空间或调节至其他水库，W保证地下水库的安全运行。
[0004] 但在极端条件下，如发生矿震或地震时煤矿地下水库的安全性评价还没有系统的 研究。中国专利公开号为CN101074995A所公开的建筑物抗震能力的评估方法及其应用，提 出了一种地面房屋建筑结构的抗震安全评估方法。而中国专利公开号为CN202989868U所 公开的震区高±石巧抗震结构和中国专利公开号为CN204023511U所公开的±石巧抗震结 构，则是针对地面巧体提出的抗震结构。与地面上的巧体结构相比，煤矿地下水库的抗震安 全评价更加复杂，体现在： 阳0化](1)地面的巧体结构主要考虑水压和巧体自身重力的作用，而煤矿地下水库还受 到地应力及矿山压力的影响；
[0006] (2)煤矿地下水库巧体的主要结构为安全煤柱，与地面巧体常用的钢筋混凝±材 料相比，煤柱材料的力学性质更为难W确定；
[0007] (3)顶、底板对煤柱巧体的约束作用是影响煤柱巧体安全性的一个重要因素，使得 煤柱巧体的安全性评价更为困难。
[0008] 因此，地面结构的地震安全评价方法对于地下水库难W适应。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够评估矿震或地震条件下 煤矿地下水库煤柱巧体的抗震安全性的煤矿地下水库煤柱巧体地震安全性的检测方法。
[0010] 本发明技术方案提供一种煤矿地下水库煤柱巧体地震安全性的检测方法，包括 如下步骤：步骤1 :对待检测的煤矿地下水库建立数值模型；步骤2 :利用数值模拟方法分 析，初步确定在地震条件下所述煤矿地下水库中的煤柱巧体上的可能被破坏的破坏位置 Ai(i> 1的自然数）；步骤3 :根据步骤2中的数值模拟结果设计相似材料物理模型，并对 所述相似材料物理模型进行振动试验；步骤4 :根据步骤3中的振动试验结果得出各个所述 破坏位置Ai的剪切应力I1;步骤5:计算出各个所述破坏位置A1的地震安全系数Ki。
[0011] 进一步地，还包括如下步骤：步骤6 :根据各个所述破坏位置Ai的所述地震安全系 数Ki，得出整个所述煤柱巧体的安全系数K,胃。
[0012] 进一步地，所述步骤1中还包括如下步骤：步骤11 :根据地质勘查资料确定所述煤 矿地下水库所在矿区的地质分层、各岩层力学性质、煤层位置和高度；根据煤矿开采情况及 所述煤矿地下水库建设条件确定所述数值模型的计算范围；根据地震条件和各所述岩层力 学性质确定所述数值模型的阻尼边界条件及动力荷载加载方式；利用数值模拟软件建立所 述数值模型并计算。
[0013] 进一步地，所述步骤2中还包括如下步骤：步骤21 :根据所述数值模型的计算结果 中塑性区分布或应力大小条件确定所述煤柱巧体上的所述破坏位置Ai。
[0014] 进一步地，所述步骤3中还包括如下步骤：步骤31 :基于结构动力模型试验的相似 原理，配制满足试验要求的相似材料，并确定所述相似材料物理模型的尺寸；预先制定合适 的模具，并将所述相似材料诱筑至所述模具中振捣成型，并将应力监测仪器安置于所述模 具中的指定位置；待所述相似材料强度满足要求后，将装有所述相似材料的所述模具移动 至振动台上，向所述振动台输入指定的地震波参数，W模拟真实的地震条件进行振动试验； 通过所述监测仪器采集监测数据。
[0015] 进一步地，所述步骤4中还包括如下步骤：步骤41 :将采集到的各个所述破坏位置 Ai处的检测数据转换为相应的所述剪切应力I1。
[0016] 进一步地，所述步骤5中采用如下方式计算安全系数Ki:所述煤柱巧体中破 坏位置Ai处允许的剪切应力为：=Ci+Gi'tan卿，X为煤柱巧体剪切应力，C为 粘聚力，巧为内摩擦角，0为正应力；所述煤柱巧体中破坏位置Ai处的安全系数为：
[0017] 采用上述技术方案，具有如下有益效果：
[001引本发明通过建立数值模型进行模拟出可能被破坏的破坏位置，再通过建立相似材 料物理模型，并对相似材料物理模型进行振动试验，最后得出每个破坏位置的安全系数。其 结合岩石破坏理论、数值模拟方法和物理模型试验，围绕安全煤柱在地震条件下的破坏形 态和破坏准则，能较为准确地对煤矿地下水库结构抗震性能给出量化的评价结果，有利于 评估不同地震或矿震条件下煤柱巧体的安全性，对地下水库的安全建设和运营有指导意 义。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明提供的煤矿地下水库煤柱巧体地震安全性的检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图来进一步说明本发明的【具体实施方式】。
[0021] 如图1所示，本发明一实施例提供的一种煤矿地下水库煤柱巧体地震安全性的检 测方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤1 :对待检测的煤矿地下水库建立数值模型；
[0023] 步骤2:利用数值模拟方法分析，初步确定在地震条件下煤矿地下水库中的煤柱 巧体上的可能被破坏的破坏位置Ai(i> 1的自然数）；
[0024] 步骤3:根据步骤2中的数值模拟结果设计相似材料物理模型，并对相似材料物理 模型进行振动试验；
[00巧]步骤4 :根据步骤3中的振动试验结果得出各个破坏位置Ai的剪切应力I1; [00%] 步骤5 :计算出各个破坏位置Ai的地震安全系数K1。K值越大表示该破坏位置处 在发生地震时越安全。
[0027] 本发明提供的检测方法主要用于对煤矿地下水矿的煤柱巧体进行安全评估，评估 煤柱巧体在地震发生时的安全性。
[0028] 首先，通过计算机软件对待检测或待评估的煤矿地下水库建立数值模型，数值模 型中体现出煤矿地下水库中的各特征，例如底板、煤柱巧体、顶部岩石层等等。
[0029] 之后，利用数值模拟方法进行分析，得出或初步确定在地震条件下煤矿地下水库 中的煤柱巧体上的可能被破坏的破坏位置Ai(i> 1的自然数）。例如，通过数值模拟分析 之后，初步确定煤柱巧体上可能有5个位置，在地震发生时会被破坏，其分别为Ai、A2、A3、A4 和As。
[0030] 之后，根据上述数值模拟结果，设计与待检测或待评估的煤矿地下水库相似的相 似材料物理模型，并通过振动台对相似材料物理模型进行振动试验，W模拟地震发生时煤 矿地下水库中的真实情景。
[0031] 该处所指的相似材料物理模型为通过相似材料模拟形成的模型。
[0032] 相似材料模拟是一种建立在相似理论基础上，用扩大或缩小的模型，去研究对应 原型的力学运动W及其它相关特性的一种实验方法。该方法在矿山、地质、水利W及建筑等 领域应用广泛。在采矿领域，该方法已经广泛应用于诸如测定矿山来压，岩层破坏运移，地 下水渗透W及无流动水的边坡稳定等问题的研究。
[0033]相似材料模拟，根据采动影响范围，一般只模拟部分区域。本发明中可仅模拟煤柱 巧体。
[0034]之后，根据上述振动试验结果得出各个破坏位置Ai的剪切应力I1。例如，根据上 述对相似材料物理模型进行振动试验之后，得出破坏位置Ai、A2、A3、A4和A5处对应的剪切 应力I1、I2、X3、T4和T5。
[0035]之后，再计算出各个破坏位置Ai的地震安全系数K1。K值越大表示该破坏位置处 在发生地震时越安全。例如，计算出破坏位置Ai、Az、As、A4和A g处对应的地震安全系数K 1、 K2、而、K4和K5。并分别比较Ki、K2、Ks、K4和K5的值或者将上述各破坏位置的K值与设定安 全值相比较，K值越大表示该破坏位置处在发生地震时越安全，K值越小表示该破坏位置处 在发生地震时越容易被破坏。
[0036] 综上，本发明通过建立数值模型进行模拟出可能被破坏的破坏位置，再通过建立 相似材料物理模型，并对相似材料物理模型进行振动试验，最后得出每个破坏位置的安全 系数。其结合岩石破坏理论、数值模拟方法和物理模型试验，围绕安全煤柱在地震条件下的 破坏形态和破坏准则，能较为准确地对煤矿地下