煤柱坝体稳定性评价方法、装置、存储介质及电子设备

技术领域

本申请涉及煤炭开发技术领域，特别地涉及一种煤柱坝体稳定性评价方法、装置、存储介质及电子设备。

背景技术

随着我国煤炭开发的战略西移，煤炭规模化开发与水资源短缺的矛盾更为突出。水资源保护与利用是当前煤炭绿色开采面临的重大难题。大规模高强度煤炭开采导致的水资源流失，使西部地区本就脆弱的生态环境遭到毁灭性破坏，负环境效应更加突出。以顾大钊院士为首提出利用地下采空空间储水，将留设的安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体的煤矿地下水库工程技术成为西部生态脆弱区水资源保护利用的有效途径。煤矿地下水库中煤柱坝体占水库坝体长度比例高，裂隙结构发育，受力环境复杂，且长期的水浸作用改变了煤体的力学特性，更易导致煤柱坝体失稳，威胁地下水库的安全运行。因此，评估煤柱坝体全生命周期的稳定性，既是地下水库建设与长期运行安全的迫切需要，也是能源开发与环境保护所面临的重要科学问题。

目前现有技术中并未发现能够评估煤柱坝体稳定性的方法。

发明内容

针对上述问题，本申请提供一种煤柱坝体稳定性评价方法、装置、存储介质及电子设备，解决了相关技术中无法对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种煤柱坝体稳定性评价方法，所述方法包括：

采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；

根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；

根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；

将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；

根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。

在一些实施例中，根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性，包括：

若所述比较结果为所述目标煤柱坝体实际宽度大于或等于所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和，则所述目标煤柱坝体稳定；

若所述比较结果为所述目标煤柱坝体实际宽度小于所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和，则所述目标煤柱坝体不稳定。

在一些实施例中，所述根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度，包括：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠巷道侧的塑性屈服区宽度L1，计算公式如下：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠采空区侧的塑性屈服区宽度L2，计算公式如下：

其中，煤柱坝体高度为h，煤柱坝体所处煤层埋深为H，煤柱坝体与顶底板交界面处的粘聚力和内摩擦角分别为C0和φ0，靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体塑性屈服区与弹性核区交界处的极限应力分别为P

在一些实施例中，所述靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体塑性屈服区与弹性核区交界处的极限应力分别为P

根据公式P

根据公式P

其中，煤柱坝体靠巷道侧和靠采空区侧应力集中系数分别为K1和K2，水对煤柱坝体的弱化系数为α，工作面推进速度造成的应力集中系数影响因子为β，煤柱坝体所受垂直应力为Q1。

在一些实施例中，所述根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度，包括：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠巷道侧的弹性核区宽度L3-1，计算公式如下：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠采空区侧的弹性核区宽度L3-2，计算公式如下：

其中，煤柱坝体高度为h，煤柱坝体所处煤层埋深为H，煤层内的粘聚力和内摩擦角分别为C和φ，靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体弹性核区边界的支撑应力分别为P

在一些实施例中，所述靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体弹性核区边界的支撑应力分别为P

根据公式P

根据公式P

其中，煤柱坝体靠巷道侧和靠采空区侧应力集中系数分别为K1和K2，水对煤柱坝体的弱化系数为α，工作面推进速度造成的应力集中系数影响因子为β，煤柱坝体所受垂直应力为Q1。

在一些实施例中，所述煤柱坝体所受垂直应力为Q1，包括：

根据公式Q1＝q1+q2+q4计算所述煤柱坝体所受垂直应力；

其中，煤柱坝体上覆岩层压力为q1，巷道上覆悬露岩层旋转下沉造成的垂直应力为q2，采空区上覆悬露岩层旋转下沉造成的垂直应力为q4。

第二方面，一种煤柱坝体稳定性评价装置，所述装置包括：

采集单元，用于采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；

计算单元，用于根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；

比较单元，用于将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；

评价单元，用于根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。

第三方面，一种存储介质，该存储介质存储的计算机程序，可被一个或多个处理器执行，可用来实现如上述第一方面所述的煤柱坝体稳定性评价方法。

第四方面，一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，该计算机程序被所述处理器执行时，执行如上述第一方面所述的煤柱坝体稳定性评价方法。

本申请提供的一种煤柱坝体稳定性评价方法、装置、存储介质及电子设备，包括：采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。本申请通过考虑复杂条件下地下水库煤柱坝体稳定性的多种影响因素，并进行计算，实现对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种煤柱坝体稳定性评价方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的煤柱坝体受力分析示意图；

图3为本申请实施例提供的煤柱坝体力学模型图；

图4a为本申请实施例提供的煤柱坝体靠巷道侧弹性区力学模型图；

图4b为本申请实施例提供的煤柱坝体靠采空区侧弹性区力学模型图；

图5为本申请实施例提供的一种煤柱坝体稳定性评价装置的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种电子设备的连接框图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本申请的保护范围之内。

由背景技术可知，目前现有技术中并未发现能够评估煤柱坝体稳定性的方法。

有鉴于此，本申请提供一种煤柱坝体稳定性评价方法、装置、存储介质及电子设备，解决了相关技术中无法对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性评价的技术问题。

图1为本申请实施例提供的一种煤柱坝体稳定性评价方法的流程示意图，如图1所示，本方法包括：

S101、采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据。

需要说明的是，在采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据之前，需要确定要采集的计算数据，其中包括：

确定煤柱坝体稳定性影响因素。影响煤柱坝体稳定性的因素主要有水文地质因素、采矿因素、时间因素和煤柱坝体的物理力学性质因素，通过影响煤柱坝体的载荷和强度来影响煤柱坝体的稳定性。

煤柱坝体受力分析。煤柱坝体所处煤层埋深H，上覆岩层的平均容重γ。煤柱坝体受力主要表现为：上覆岩层压力q1，巷道上覆悬露岩层旋转下沉所造成的垂直应力和侧向压力分别为q2、q3，采空区上覆悬露岩层旋转下沉所造成的垂直应力和侧向压力分别为q4、q5，采空区冒落岩体产生的侧向压力q6，水体产生的侧向压力q7，巷道支护约束力q8，以及煤层开采扰动作用。煤柱坝体所受垂直应力为Q1＝q1+q2+q4，靠巷道侧煤柱坝体所受水平约束合力为Q2＝q3+q8，靠采空区侧所受水平约束合力为Q3＝q5+q6+q7。

煤柱坝体所处煤层埋深为H，上覆岩层的平均容重为γ，所述煤柱坝体的上覆岩层压力，可根据煤层埋深和上覆岩层的平均容重计算，即q1＝γH。巷道上覆悬露岩层厚度为h1，其旋转下沉角度为δ，所述巷道上覆悬露岩层旋转下沉所造成的垂直应力为q2＝γh1、侧向压力为q3＝γh1tanδ。采空区上覆悬露岩层厚度为h2，其旋转下沉角度为δ，所述巷道上覆岩层旋转下沉所造成的垂直应力为q4＝γh2、侧向压力为q5＝γh2tanδ。采空区冒落岩体在库区内的堆砌高度、浮重度为、内摩擦角以及孔隙度分别为hm、γm、φm、n，所述采空区冒落岩体浮重度为γ

如图2所示，为煤柱坝体受力分析示意图。

含水率对煤柱坝体应力集中系数影响分析：含水率的不同直接影响着煤柱坝体强度的大小，煤柱坝体含水状态下煤柱的极限平衡状态发生改变，煤柱坝体的极限支撑应力降低，使得煤柱坝体原塑性区破坏更加严重，同时又增加了新的塑性区宽度，使得煤柱弹性核区宽度减小，煤柱将不再处于稳定状态。因此，需要增大煤柱的宽度，降低煤柱坝体的应力集中系数,含水煤柱坝体的应力集中系数可表示为K

煤柱坝体不含水时的强度为σ0，应力集中系数为K，任意含水率煤柱坝体强度为σw，水对煤柱坝体的弱化系数α。所述含水煤柱坝体的应力集中系数为K

步骤④：煤层开采扰动对煤柱坝体应力集中系数影响分析。煤层开采扰动作用主要体现在采煤工作面来压周期、来压步距等方面，来压越强烈、周期越短，造成的扰动越大。工作面的推进速度的不同导致工作面来压周期、来压步距等都不相同，间接影响了煤柱坝体强度。工作面推进速度对煤柱坝体应力集中的影响可等效为煤柱坝体所受外力加载速率对煤柱坝体强度的影响。工作面推进速度影响下的煤柱坝体应力集中系数可表示为K

任意加载速率下煤体的强度σv，加载速率为0.05mm/min时煤体的强度σv＝0.05，推进速度与加载速率之间的线性相关系数η。工作面推进速度造成的应力集中系数影响因子β＝η(σ

通过上述分析，将计算煤柱坝体塑性屈服区宽度和极限弹性核区宽度所需的数据进行采集。

S102、根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度。

S103、根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度。

S104、将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果。

S105、根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。

在一些实施例中，根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性，包括：

若所述比较结果为所述目标煤柱坝体实际宽度大于或等于所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和，则所述目标煤柱坝体稳定；

若所述比较结果为所述目标煤柱坝体实际宽度小于所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和，则所述目标煤柱坝体不稳定。

需要说明的是，在煤矿地下水库运营过程中，覆岩形成的载荷主要作用在煤柱坝体的弹性核区，但随着煤柱坝体支撑时间变长，煤柱坝体塑性区将逐渐增大，弹性区将逐渐减小。因此，要保持煤柱坝体的稳定性，预留设的煤柱坝体宽度L须大于或等于煤柱坝体极限宽度，即：L≥L

在一些实施例中，所述根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度，包括：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠巷道侧的塑性屈服区宽度L1，计算公式如下：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠采空区侧的塑性屈服区宽度L2，计算公式如下：

其中，煤柱坝体高度为h，煤柱坝体所处煤层埋深为H，煤柱坝体与顶底板交界面处的粘聚力和内摩擦角分别为C0和φ0，靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体塑性屈服区与弹性核区交界处的极限应力分别为P

如图3所示，为煤柱坝体力学模型示意图。其中，塑性区即为塑性屈服区，弹性区即为弹性核区。

在一些实施例中，所述靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体塑性屈服区与弹性核区交界处的极限应力分别为P

根据公式P

根据公式P

其中，煤柱坝体靠巷道侧和靠采空区侧应力集中系数分别为K1和K2，水对煤柱坝体的弱化系数为α，工作面推进速度造成的应力集中系数影响因子为β，煤柱坝体所受垂直应力为Q1。

在一些实施例中，所述根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度，包括：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠巷道侧的弹性核区宽度L3-1，计算公式如下：

根据公式计算所述目标煤柱坝体靠采空区侧的弹性核区宽度L3-2，计算公式如下：

其中，煤柱坝体高度为h，煤柱坝体所处煤层埋深为H，煤层内的粘聚力和内摩擦角分别为C和φ，靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体弹性核区边界的支撑应力分别为P

如图4a和图4b所示，为煤柱坝体弹性核区力学模型图，其中，图4a为煤柱坝体靠巷道侧弹性区力学模型图，图4b为煤柱坝体靠采空区侧弹性区力学模型图。

在一些实施例中，所述靠巷道侧和靠采空区侧煤柱坝体弹性核区边界的支撑应力分别为P

根据公式P

根据公式P

其中，煤柱坝体靠巷道侧和靠采空区侧应力集中系数分别为K1和K2，水对煤柱坝体的弱化系数为α，工作面推进速度造成的应力集中系数影响因子为β，煤柱坝体所受垂直应力为Q1。

在一些实施例中，所述煤柱坝体所受垂直应力为Q1，包括：

根据公式Q1＝q1+q2+q4计算所述煤柱坝体所受垂直应力；

其中，煤柱坝体上覆岩层压力为q1，巷道上覆悬露岩层旋转下沉造成的垂直应力为q2，采空区上覆悬露岩层旋转下沉造成的垂直应力为q4。

综上所述，本申请实施例提供了一种煤柱坝体稳定性评价装置，包括：采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。本申请通过考虑复杂条件下地下水库煤柱坝体稳定性的多种影响因素，并进行计算，实现对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供保障。

实施例二

基于上述本发明实施例公开的煤柱坝体稳定性评价方法，图5具体公开了应用该煤柱坝体稳定性评价方法的煤柱坝体稳定性评价装置。

如图5所示，本发明实施例公开了一种煤柱坝体稳定性评价装置，该装置包括：

采集单元501，用于采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；

计算单元502，用于根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；

比较单元503，用于将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；

评价单元504，用于根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。

以上本发明实施例公开的煤柱坝体稳定性评价装置中的数据采集单元501、计算单元502、比较单元503和评价单元504的具体工作过程，可参见本发明上述实施例公开的煤柱坝体稳定性评价方法中的对应内容，这里不再进行赘述。

综上所述，本申请实施例提供了一种煤柱坝体稳定性评价装置，包括：采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。本申请通过考虑复杂条件下地下水库煤柱坝体稳定性的多种影响因素，并进行计算，实现对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供保障。

实施例三

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器、App应用商城等等，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可以实现如实施例一的方法步骤，本实施例在此不再重复赘述。

实施例四

图6为本申请实施例提供的一种电子设备600的连接框图，如图6所示，该电子设备600可以包括：处理器601，存储器602，多媒体组件603，输入/输出(I/O)接口604，以及通信组件605。

其中，处理器601用于执行如实施例一中的煤柱坝体稳定性评价方法中的全部或部分步骤。存储器602用于存储各种类型的数据，这些数据例如可以包括电子设备中的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。

处理器601可以是专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable LogicDevice，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述实施例一中的煤柱坝体稳定性评价方法。

存储器602可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

多媒体组件603可以包括屏幕和音频组件，该屏幕可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器或通过通信组件发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。

I/O接口604为处理器601和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。

通信组件605用于该电子设备600与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(Near Field Communication，简称NFC)，2G、3G或4G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件605可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块。

综上，本申请提供的一种煤柱坝体稳定性评价方法、装置、存储介质及电子设备，该方法包括：采集评价目标煤柱坝体稳定性的计算数据；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体塑性屈服区宽度；根据所述计算数据，计算所述目标煤柱坝体极限弹性核区宽度；将所述目标煤柱坝体实际宽度，跟所述目标煤柱坝体的塑性屈服区宽度与极限弹性核区宽度之和进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果评价所述目标煤柱坝体的稳定性。本申请通过考虑复杂条件下地下水库煤柱坝体稳定性的多种影响因素，并进行计算，实现对煤矿地下水库煤柱坝体稳定性的评价，为地下水库建设与长期运行安全提供保障。

在本申请实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但上述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。