CN106198232A - 一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，步骤如下：A、基于实验室钢桶压实试验对充填材料进行单轴侧限压缩，绘制应力与应变、容重与弹性地基系数关系测试曲线；B、根据测试曲线的变化趋势，借助Excel、Origin、Matlab等数据处理软件，拟合应力与应变、容重与弹性地基系数关系表达式；C、对工作面回采过程中充填体的应力与应变关系进行现场动态监测，得到现场实测曲线；D、在同一坐标系下分别绘制测试及实测的充填材料力学特性曲线；E、对比测试与实测曲线，以实测曲线为目标，采用修正拟合关系式中特征参数的方法，对测试曲线进行修正。该方法为充采质量比、充实率、夯实次数、夯实力等工程参数合理优化设计提供了理论依据。

Description

一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法

技术领域

本发明涉及一种充填材料力学特性曲线修正方法，特别是一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法。

背景技术

充填材料作为充填采煤技术中岩层控制效果保证的关键因素，其力学特性直接决定上覆岩层的运动状态，充填材料力学特性包含的应力与应变关系曲线、容重与弹性地基系数曲线是进行充填采煤覆岩运动控制及工程设计的基础，具体表现为充采质量比、充实率理论控制指标由应力与应变关系曲线确定；夯实次数、夯实力等指标由容重与弹性地基系数曲线确定。然而，目前通过实验室试验得到的充填材料力学特性曲线与现场实测存在一定差别，这主要因为充填材料钢桶压实实验中钢桶对充填材料的约束条件及液压试验机加载条件与实际采场中边界条件及覆岩载荷差异较大，因此为了获得准确的充填材料力学特性曲线，需要对实验测试的应力与应变曲线及容重-弹性地基系数曲线进行修正。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、可靠、准确的充填材料力学特性曲线修正方法，使充填材料力学特性实验测试曲线尽可能接近现场实测值，同时维持其基本变化趋势，为进行充填采煤覆岩运动控制及工程设计提供理论依据。

本发明的目的是这样实现的：基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法及流程按如下步骤：

A、基于实验室钢桶压实试验，对充填材料进行单轴侧限压缩，并根据试验数据绘制充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的测试曲线；

B、根据测试曲线的变化趋势，借助Excel、Origin、Matlab专业数据处理软件，拟合应力与应变、容重与弹性地基系数数值关系表达式；

C、利用顶板动态监测仪与充填体应力监测仪对采煤工作面回采过程中充填体的应力与应变关系进行现场动态监测，得到现场实测曲线；

D、在同一坐标系下分别绘制实验室测试及现场实测的应力与应变关系曲线、容重与弹性地基系数关系曲线，其中测试曲线以拟合关系式运算值替代；

E、对比实验室测试与现场实测曲线，以实测曲线为目标，采用修正拟合关系式中特征参数的方法，对测试曲线进行修正。

所述的步骤A中的绘制充填材料力学特性实验室测试曲线，具体步骤如下：

a、实验室试验：利用液压试验机对压实钢筒中的充填材料进行单轴侧限压缩，设计最大轴向压应力为20MPa，加载速率为2kN·s^-1；

b、确定各参数间关系：

应变量ε_e确定：设定充填体试样原始装料高度为h₀，在轴向受压的过程中，定义其压缩变形量为Δh，则试样的应变量ε_e为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h_0}---\left(1\right);$

容重γ_h的确定：设定压实钢筒的半径为r₀、原始装料质量为M₀，则试样在压缩变形量为Δh时对应的容重γ_h为：

${\mathrm{\γ}}_h=\frac{M_{0}g}{(h_0-\mathrm{\Δ}h){{\mathrm{\πr}}_0}^2}---\left(2\right);$

弹性地基系数k_ge确定：定义充填体试样的变形模量为：E_e＝σ_e/ε_e，其中σ_e表示试样所受压实力，ε_e为试样的应变量，同时设定充填体弹性地基系数随深度变化呈线性增大的形式，即充填体的弹性地基系数k_ge由式(3)确定：

$k_{ge}=\frac{E_e}{h_o}---\left(3\right);$

由式(3)得到充填体的弹性地基系数k_ge与应力与应变的关系为：

$k_{ge}=\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e{h}_0}---\left(4\right);$

c、绘制测试曲线：基于实验室试验数据和各参数间关系，分别绘制出充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的两个测试曲线。

所述的步骤B中：应力与应变的曲线拟合形式设定为：ε＝a+bln(σ+c)，式中ε为实验室测试的充填材料的应变量；容重与弹性地基系数数值关系的曲线拟合形式设定为：k_g＝ae^bγ，式中k_g为实验室测试的充填体的弹性地基系数；或应力与应变、容重与弹性地基系数数值关系的拟合曲线满足决定系数R²＞0.9即可，决定系数为拟合曲线相关系数R的平方。

所述的步骤C中：根据顶板位移的下沉值与原始采高的比值反算充填体的应变，实测顶板位移下沉值为Δd，设定煤层原始采高为d_o，则充填体的实测应变量为ε_a＝Δd/d_o；根据充填体应力监测仪动态监测充填体自身的应力变化，其中，充填体应力监测仪的布设位置和个数与顶板动态监测仪保持一致，确保充填体应力监测与顶板动态监测同时进行，从而得到实测应力与应变关系曲线，并在此基础上根据步骤A中各参数间关系，得到实测容重与弹性地基系数关系曲线。

所述的步骤E中：采用修正拟合关系式中特征参数的方法对测试曲线进行修正，包括：应力与应变的修正关系：ε＝l₁a+l₂bln(σ+l₃c)，式中l₁、l₂、l₃为修正系数；容重与弹性地基系数的修正关系：式中l₄、l₅为修正系数；修正系数l₁、l₂、l₃、l₄、l₅的取值由压实试验加载应力、加载速率、曲线拟合形式、充填体的材料构成、充填体的粒径级配决定；其它满足决定系数R²＞0.9要求的力学特性拟合曲线可类似采用修正关系式中特征参数的方法进行修正。

有益效果：由于采用了上述修正技术方案，本发明首先利用实验室钢桶压实试验数据绘制充填材料力学特性的测试曲线，并通过Excel、Origin、Matlab等拟合充填材料力学特性的数值关系表达式，然后利用监测设备对工作面回采过程中充填体的应力与应变关系进行现场动态监测，并在同一坐标系下分别绘制测试及实测的充填材料力学特性曲线，最后通过对比测试与实测曲线，以实测曲线为目标，采用修正拟合关系式中主要参数的方法，对测试曲线进行修正，定量的给出了基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，为获得准确的充填材料力学特性，优化设计充采质量比、充实率、夯实次数、夯实力等工程参数提供理论依据。其修正方法简单易行，准确性高，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为充填体应力与应变测试曲线修正示意。

图2为充填体容重与弹性地基系数测试曲线修正示意。

具体实施方式

该充填材料力学特性曲线修正方法及流程按如下步骤：

A、基于实验室钢桶压实试验，对充填材料进行单轴侧限压缩，并根据试验数据绘制充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的测试曲线；

B、根据测试曲线的变化趋势，借助Excel、Origin、Matlab等专业数据处理软件，拟合应力与应变、容重与弹性地基系数数值关系表达式；

C、利用顶板动态监测仪与充填体应力监测仪对采煤工作面回采过程中充填体的应力与应变关系进行现场动态监测，得到现场实测曲线；

D、在同一坐标系下分别绘制实验室测试及现场实测的应力与应变关系曲线、容重与弹性地基系数关系曲线，其中测试曲线以拟合关系式运算值替代；

E、对比实验室测试与现场实测曲线，以实测曲线为目标，采用修正拟合关系式中特征参数的方法，对测试曲线进行修正。

所述的步骤A中的绘制充填材料力学特性实验室测试曲线，具体步骤如下：

a、实验室试验：利用液压试验机对压实钢筒中的充填材料进行单轴侧限压缩，设计最大轴向压应力为20MPa，加载速率为2kN·s^-1；

b、确定各参数间关系：

应变量ε_e确定：设定充填体试样原始装料高度为h₀，在轴向受压的过程中，定义其压缩变形量为Δh，则试样的应变量ε_e为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h_0}---\left(1\right);$

容重γ_h的确定：设定压实钢筒的半径为r₀、原始装料质量为M₀，则试样在压缩变形量为Δh时对应的容重γ_h为：

${\mathrm{\γ}}_h=\frac{M_{0}g}{(h_0-\mathrm{\Δ}h){{\mathrm{\πr}}_0}^2}---\left(2\right);$

弹性地基系数k_ge确定：定义充填体试样的变形模量为：E_e＝σ_e/ε_e，其中σ_e表示试样所受压实力，ε_e为试样的应变量，同时设定充填体弹性地基系数随深度变化呈线性增大的形式，即充填体的弹性地基系数k_ge由式(3)确定：

$k_{ge}=\frac{E_e}{h_o}---\left(3\right);$

由式(3)得到充填体的弹性地基系数k_ge与应力与应变的关系为：

$k_{ge}=\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e{h}_0}---\left(4\right);$

c、绘制测试曲线：基于实验室试验数据和各参数间关系，分别绘制出充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的两个测试曲线。

所述的步骤B中：应力与应变的曲线拟合形式设定为：ε＝a+bln(σ+c)，式中ε为实验室测试的充填材料的应变量；容重与弹性地基系数数值关系的曲线拟合形式设定为：k_g＝ae^bγ，式中k_g为实验室测试的充填体的弹性地基系数；或应力与应变、容重与弹性地基系数数值关系的拟合曲线满足决定系数R²＞0.9即可，决定系数为拟合曲线相关系数R的平方。

所述的步骤C中：根据顶板位移的下沉值与原始采高的比值反算充填体的应变，实测顶板位移下沉值为Δd，设定煤层原始采高为d_o，则充填体的实测应变量为ε_a＝Δd/d_o；根据充填体应力监测仪动态监测充填体自身的应力变化，其中，充填体应力监测仪的布设位置和个数与顶板动态监测仪保持一致，确保充填体应力监测与顶板动态监测同时进行，从而得到实测应力与应变关系曲线，并在此基础上根据步骤A中各参数间关系，得到实测容重与弹性地基系数关系曲线。

所述的步骤E中：采用修正拟合关系式中特征参数的方法对测试曲线进行修正，包括：应力与应变的修正关系：ε＝l₁a+l₂bln(σ+l₃c)，式中l₁、l₂、l₃为修正系数；容重与弹性地基系数的修正关系：式中l₄、l₅为修正系数；修正系数l₁、l₂、l₃、l₄、l₅的取值由压实试验加载应力、加载速率、曲线拟合形式、充填体的材料构成、充填体的粒径级配决定；其它(如对数函数、幂函数等)满足决定系数R²＞0.9要求的力学特性拟合曲线可类似采用修正关系式中特征参数的方法进行修正。

下面结合附图对本发明的一个实施例，对基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法作进一步的描述：

实施例1：翟镇矿7203W充填工作面采用矸石作为充填材料，从矿上选取50mm以下粒径按原粒径级配制得原生矸石并进行单轴侧限压缩试验，根据试验数据拟合得到矸石充填材料应力与应变的关系为：ε_e＝0.139+0.057ln(σ_e+0.063)，利用顶板动态监测仪与充填体应力监测仪对工作面回采过程中充填体的应力与应变关系进行现场动态监测，得到现场实测曲线；在同一坐标系下，对比测试与实测的曲线，以实测曲线为目标，采用修正拟合关系式中主要参数的方法，对测试曲线进行修正。修正后的应力与应变关系为：ε＝0.117+0.037ln(σ-1.140)，按照上述的修正方法，修正系数为l₁＝0.84，l₂＝0.65，l₃＝-18.09；由实验室测试矸石充填材料的容重与弹性地基系数关系为：修正后的容重与弹性地基系数关系为：k_g＝0.0246e^0.3513γ，按照上述的修正方法，修正系数为l₄＝6.83，l₅＝0.63。

Claims (5)

1.一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，其特征在于包括如下步骤：

A、基于实验室钢桶压实试验，对充填材料进行单轴侧限压缩，并根据试验数据绘制充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的测试曲线；

B、根据测试曲线的变化趋势，借助Excel、Origin、Matlab专业数据处理软件，拟合应力与应变、容重与弹性地基系数数值关系表达式；

C、利用顶板动态监测仪与充填体应力监测仪对采煤工作面回采过程中充填体的应力与应变关系进行现场动态监测，得到现场实测曲线；

D、在同一坐标系下分别绘制实验室测试及现场实测的应力与应变关系曲线、容重与弹性地基系数关系曲线，其中测试曲线以拟合关系式运算值替代；

E、对比实验室测试与现场实测曲线，以实测曲线为目标，采用修正拟合关系式中特征参数的方法，对测试曲线进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，其特征在于：所述步骤A中绘制充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的测试曲线的具体步骤如下：

a、实验室试验：利用液压试验机对压实钢筒中的充填材料进行单轴侧限压缩，设计最大轴向压应力为20MPa，加载速率为2kN·s^-1；

b、确定各参数间关系：

应变量ε_e确定：设定充填体试样原始装料高度为h₀，在轴向受压的过程中，定义其压缩变形量为Δh，则试样的应变量ε_e为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h_0}---\left(1\right);$

容重γ_h的确定：设定压实钢筒的半径为r₀、原始装料质量为M₀，则试样在压缩变形量为Δh时对应的容重γ_h为：

${\mathrm{\γ}}_h=\frac{M_{0}g}{(h_0-\mathrm{\Δ}h){{\mathrm{\πr}}_0}^2}---\left(2\right);$

弹性地基系数k_ge确定：定义充填体试样的变形模量为：E_e＝σ_e/ε_e，其中σ_e表示试样所受压实力，ε_e为试样的应变量，同时设定充填体弹性地基系数随深度变化呈线性增大的形式，即充填体的弹性地基系数k_ge由式(3)确定：

$k_{ge}=\frac{E_e}{h_o}---\left(3\right);$

由式(3)得到充填体的弹性地基系数k_ge与应力与应变的关系为：

$k_{ge}=\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e{h}_0}---\left(4\right);$

c、绘制测试曲线：基于实验室试验数据和各参数间关系，分别绘制出充填材料应力与应变、容重与弹性地基系数关系的两个测试曲线。

3.根据权利要求1所述的一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，其特征在于：所述的步骤B中：

应力与应变的曲线拟合形式设定为：ε＝a+bln(σ+c)，式中ε为实验室测试的充填材料的应变量；

容重与弹性地基系数数值关系的曲线拟合形式设定为：式中k_g为实验室测试的充填体的弹性地基系数；

或应力与应变、容重与弹性地基系数数值关系的拟合曲线满足决定系数R²＞0.9即可，决定系数为拟合曲线相关系数R的平方。

4.根据权利要求1所述的一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，其特征在于：所述的步骤C中：根据顶板位移的下沉值与原始采高的比值反算充填体的应变，实测顶板位移下沉值为Δd，设定煤层原始采高为d_o，则充填体的实测应变量为ε_a＝Δd/d_o；根据充填体应力监测仪动态监测充填体自身的应力变化，其中，充填体应力监测仪的布设位置和个数与顶板动态监测仪保持一致，确保充填体应力监测与顶板动态监测同时进行，从而得到实测应力与应变关系曲线，并在此基础上根据步骤A中各参数间关系，得到实测容重与弹性地基系数关系曲线。

5.根据权利要求1所述的一种基于实测的充填材料力学特性曲线修正方法，其特征在于：所述的步骤E中，采用修正拟合关系式中特征参数的方法对测试曲线进行修正，包括：应力与应变的修正关系：ε＝l₁a+l₂bln(σ+l₃c)，式中l₁、l₂、l₃为修正系数；容重与弹性地基系数的修正关系：式中l₄、l₅为修正系数；修正系数l₁、l₂、l₃、l₄、l₅的取值由压实试验加载应力、加载速率、曲线拟合形式、充填体的材料构成、充填体的粒径级配决定；其它满足决定系数R²＞0.9要求的力学特性拟合曲线可类似采用修正关系式中特征参数的方法进行修正。