[发明专利]一种端帮开采条件下支撑煤柱目标时间强度确定方法

说明书

本发明公开一种端帮开采条件下支撑煤柱目标时间强度确定方法，该方法基于岩石剪切蠕变特性，进行煤原样直剪试验和剪切蠕变试验，采用分级加载方式进行试验，根据直剪强度试验结果及目标时间强度要求，制定各级水平荷载的加载值。考虑端帮开采煤柱的安全和边坡稳定性，使煤体力学强度的时效性和支撑煤柱服务时间相匹配，以实现内排耗时作为支撑煤柱的目标服务时间。设置不同的目标服务时间，分别得到煤样内聚力以及内摩擦角在不同目标服务时间下的变化规律，从而得到目标服务时间下的抗剪强度。本发明在确立煤柱强度时考虑了煤柱的服务时间需求及蠕变特性，能够为煤柱参数设计提供准确基础数据，提高支撑煤柱参数设计合理性。

技术领域

本发明涉及煤矿端帮开采技术领域，尤其涉及一种端帮开采条件下支撑煤柱目标时间强度确定方法。

背景技术

随着煤矿生产技术的快速发展，采煤量和采煤效率得到巨大提高，但是，由于褐煤力学性能通常较差，且具有显著的流变特性，边坡下支撑煤柱的稳定性问题成为端帮采煤机回采工艺成功应用的关键。

目前，国内外学者对于煤柱稳定性的大多集中于房柱式开采、条带开采、厚及特厚煤层一次采全高开采条件下的研究，对特厚煤层分层综采条件下区段煤柱稳定性、留设、控制、剪切蠕变特性等的研究相对较少。软岩的蠕变性能是影响岩土工程稳定性的重要力学特性。工程岩体在形成初期力学强度较大，呈稳定状态，随着时间的推移力学指标不断衰减变小，在上覆岩层载荷的长期作用下，可能会导致岩体发生失稳破坏。

本领域技术人员将考虑端帮开采煤柱的安全和边坡稳定性，使煤体力学强度的时效性和支撑煤柱服务时间相匹配，以实现内排耗时作为支撑煤柱的目标服务时间，将与该时间相对应的煤柱强度定义为目标时间强度。针对传统端帮开采条件下支撑煤柱参数设计时，未充分考虑岩石剪切蠕变特性，因此，设计一种端帮开采条件下支撑煤柱目标时间强度确定方法来精确支撑煤柱的目标服务时间是十分必要的。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种端帮开采条件下支撑煤柱目标时间强度确定方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种端帮开采条件下支撑煤柱目标时间强度确定方法，包括如下步骤：

步骤1：煤样制备，在保证制备的煤样其物化特性不变的情况下，解决了煤样上部不规则的问题，使制备的煤样符合剪切蠕变试验的要求；

步骤2：在煤样上施加不同级别的法向应力，通过煤样的直剪试验，获得不同级别法向应力条件下煤样的抗剪强度，并根据摩尔库伦强度理论，通过拟合得到煤样的内聚力以及内摩擦角；同时获取加载过程中的位移曲线变化趋势，根据位移的变化趋势设置蠕变试验中不同级别的剪应力；

步骤2.1：在每一级法向应力下，分别对多个煤样分级增加载荷大小以提供水平剪切应力，直到煤样发生剪切破坏，过程如下：

步骤2.2：获得各个煤样剪切破坏时的水平剪切应力；

步骤2.3：取多个煤样剪切破坏时的平均水平剪切应力作为该级法向应力下的抗剪强度；

步骤2.4：根据摩尔库伦强度理论，采用摩尔包络线表示煤样受到不同水平应力作用达到极限状态时滑动面上与法向应力的关系，摩尔包络线近似地用直线代替，该直线方程为：

其中，τ为剪切应力；σ为法向应力；c为内聚力；为内摩擦角；

步骤2.5：将不同级别的法向应力值和对应的抗剪强度带入步骤2.4的直线方程中进行拟合，得到煤样的抗剪强度指标：内聚力c和内摩擦角

步骤2.6：获取加载过程中的位移曲线变化趋势，根据位移的变化趋势设置蠕变试验中不同级别的剪应力。

进一步的，通过千分表实时监测煤样的位移，得到所述加载过程中的位移曲线变化趋势。