CN107038529B - 条带充填体稳定性的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了条带充填体稳定性的评价方法，包括：收集所要判别条带充填工作面的地质资料及条带充填开采参数；测试胶结充填体的粘聚力C和内摩擦角根据库仑准则方程，结合岩层容重和煤层埋深，得到胶结充填体的极限强度σ1；根据煤层埋深H、采厚m、条带充填体宽度a、条带充填体间距b参数分别计算条带充填体塑性区宽度Y、条带充填体极限荷载σj、条带充填体柱实际承受荷载σP；根据极限荷载σj、实际承受的荷载σP计算条带充填体稳定性系数K；根据所述条带充填体稳定性系数K判断条带充填体的稳定性。本发明所提出的评价方法能准确判断条带充填开采中的条带充填体是否稳定。

Description

条带充填体稳定性的评价方法
技术领域
本发明应用于煤矿充填开采技术领域，尤其涉及一种胶结条带充填体稳定性的评价方法。
背景技术
充填开采是指采煤之后，用沙石、矸石、膏体等充填材料将采空区充满，通过充填体支撑上覆岩层，达到减少地表采动影响的目的。长期以来，采用的是将采空区进行全部充填的“全部充填法”，因此存在充填材料需求量大、充填成本高等问题。借助条带开采的减沉理念，提出了条带充填开采技术——随工作面推进，沿工作面推进方向在采空区构筑数条相间的胶结充填体条带，依靠充填体条带支撑上覆岩层，只要保证充填条带之间空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断垮距、覆岩主关键层结构保持稳定，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。条带充填开采平面图和剖面图分别如图1和图2所示。采用条带充填开采，可减小充填工程量，节省充填材料，降低充填成本，提高充填采煤的效率，可促进充填开采技术的推广应用。
但保证条带充填体的稳定性是实现地表沉陷控制、保护地表建(构)筑物的基础和关键，涉及其设计依据和应用范围。但是，目前尚没有针对条带充填开采中的条带充填体稳定性的分析和评价方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种胶结条带充填体稳定性的评价方法。
根据本发明的一个方面，提供一种条带充填体稳定性的评价方法，包括：
收集所要判别条带充填工作面的地质资料及条带充填开采参数；测试胶结充填体的粘聚力C和内摩擦角根据库仑准则方程，结合岩层容重和煤层埋深，得到胶结充填体的极限强度σ1；
根据煤层埋深H、采厚m、条带充填体宽度a、条带充填体间距b参数分别计算条带充填体塑性区宽度Y、条带充填体极限荷载σj、条带充填体柱实际承受荷载σP；
根据极限荷载σj、实际承受的荷载σP计算条带充填体稳定性系数K；
根据所述条带充填体稳定性系数K判断条带充填体的稳定性。
进一步地，所述其中，所述σ1是条带充填体极限强度，MPa；C是胶结充填体粘聚力，MPa；Ψ是胶结充填体内摩擦角，°；γ是覆岩压力梯度，MPa/m；H是煤层埋深，m；
进一步地，所述条带充填体塑性区宽度Y＝-13.885+0.00147H+1.679m+30.883(1-ρ)，所述m是煤层采高，m；ρ是采空区面积充填率，ρ＝a/(a+b)；a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
进一步地，所述条带充填体极限荷载
所述m是煤层采高，m；a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
进一步地，所述条带充填体柱实际承受荷载所述a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
进一步地，所述条带充填体稳定性系数
进一步地，所述根据所述条带充填体稳定性系数K判断条带充填体的稳定性包括当K大于2.5时，认为条带充填体具有较好的稳定性，反之，认为条带充填体稳定性不足。
本发明提供的一种胶结条带充填体稳定性的评价方法，具有以下技术效果：
(1)本发明所提出的评价方法能根据提供的地质资料及条带充填开采参数判断条带充填体是否满足稳定性的要求，进而为分析条带充填体能否满足承载要求以及条带充填开采能否实现减沉目标提供依据。
(2)根据本发明提出的条带充填体稳定性评价方法，可为合理设计条带充填开采参数提供依据，既避免条带充填体宽度不足导致的减沉效果不达标甚至安全问题，又可防止条带充填体宽度过大导致的充填工程和充填材料浪费问题，对实现条带充填开采良好的技术经济效益具有重要意义。
附图说明
图1为条带充填开采平面示意图；
图2为条带充填开采剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的胶结条带充填体稳定性的评价方法的流程示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明提供的一种条带充填开采中条带充填体稳定性的评价方法，包括以下步骤：
步骤10：收集所要条带充填开采工作面的地质资料及条带充填开采参数；其中，地质资料包括：煤层采厚、埋深、倾角及上覆岩层岩性及厚度等。条带充填开采参数包括：充填体组份和配比、条带充填体宽度和间距等。对胶结充填体的粘聚力C和内摩擦角的测试，应选取60天以上龄期的胶结充填体，因为胶结充填体凝固过程强度等力学参数偏小，而60天后基本达到稳定。岩层容重r和煤层埋深H取平均值。
步骤20：测试胶结充填体的粘聚力C和内摩擦角根据库仑准则方程，结合岩层容重r和煤层埋深H，得到胶结充填体的极限强度σ1；
具体是：将采深H、采厚m、条带充填体宽度a、条带充填体间距b、面积充填率ρ[ρ＝a/(a+b)]代入提出的条带充填体塑性区宽度表达式，得出条带充填体塑性区宽度Y，从而得到条带充填柱所能承受的极限荷载σj；
σ1是带充填体极限强度，MPa；C是胶结充填体粘聚力，MPa；Ψ是胶结充填体内摩擦角，°；γ是覆岩压力梯度，MPa/m；H是煤层埋深，m。
步骤30：根据煤层埋深H、采厚m、条带充填体宽度a、条带充填体间距b参数分别计算条带充填体塑性区宽度Y、条带充填体极限荷载σj、条带充填体柱实际承受荷载σP；
其中，条带充填体塑性区宽度Y＝-13.885+0.00147H+1.679m+30.883(1-ρ)，所述m是煤层采高，m；ρ是采空区面积充填率，ρ＝a/(a+b)；a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
条带充填体极限荷载所述m是煤层采高，m；a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
条带充填体柱实际承受荷载所述a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
步骤40：根据极限荷载σj、实际承受的荷载σP计算条带充填体稳定性系数K；即通过下面的公式计算：
条带充填体稳定性系数
步骤50：根据所述条带充填体稳定性系数K判断条带充填体的稳定性。如果K大于2.5，认为条带充填体具有较好的稳定性，反之，认为条带充填体稳定性不足。
下面结合具体实施例对本发明提出的条带充填开采中条带充填体稳定性的评价方法做具体说明。
实施例一
某矿2307条带充填开采工作面埋深H＝200m，覆岩压力梯度为r＝0.025MPa/m，煤层采厚m＝3.5m，条带充填体宽度a＝70m，条带充填体间距b＝40m，则面积充填率ρ＝a/(a+b)＝70/(70+40)＝0.64。采用的胶结充填材料为风积砂似膏体，实验室测得其粘聚力C＝0.16MPa，内摩擦角将上述参数代入提出的条带充填体稳定性系数表达式，得出K＝2.67＞2.5，认为条带充填体可满足稳定性要求。
实施例二
某矿2351条带充填开采工作面埋深H＝645m，覆岩压力梯度为r＝0.027MPa/m，煤层采厚m＝3.2m，条带充填体宽度a＝110m，条带充填体间距b＝50m，则面积充填率ρ＝a/(a+b)＝70/(70+40)＝0.64。采用的胶结充填材料为以矸石为骨料的膏体，实验室测得其粘聚力C＝0.2MPa，内摩擦角将上述参数代入提出的条带充填体稳定性系数表达式，得出K＝2.18＜2.5，认为条带充填体不满足稳定性要求。
实施例三
某矿2303条带充填开采工作面埋深H＝560m，覆岩压力梯度为r＝0.026MPa/m，煤层采厚m＝2.8m，条带充填体宽度a＝100m，条带充填体间距b＝50m，则面积充填率ρ＝a/(a+b)＝100/(100+50)＝0.67。采用的胶结充填材料为以建筑垃圾为骨料的膏体，实验室测得其粘聚力C＝0.25MPa，内摩擦角将上述参数代入提出的条带充填体稳定性系数表达式，得出K＝2.52＞2.5，认为条带充填体可满足稳定性要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种条带充填体稳定性的评价方法，其特征在于，包括：
收集所要判别条带充填工作面的地质资料及条带充填开采参数；所述地质资料包括：煤层采厚、埋深、倾角及上覆岩层岩性及厚度；所述条带充填开采参数包括：充填体组份和配比、条带充填体宽度和间距；
测试胶结充填体的粘聚力C和内摩擦角φ，根据库仑准则方程，结合岩层容重和煤层埋深，得到胶结充填体的极限强度σ1，其中，所述胶结充填体的凝固龄期为60天及以上，所述，其中，所述σ1是条带充填体极限强度，MPa； C是胶结充填体粘聚力，MPa；/>是胶结充填体内摩擦角，°；γ是覆岩压力梯度，MPa/m； H是煤层埋深，m；
根据煤层埋深H、采厚t、条带充填体宽度a和条带充填体间距b 参数计算得到条带充填体塑性区宽度Y，然后，再根据覆岩压力梯度γ、煤层埋深H、采厚t、条带充填体宽度a和条带充填体间距b参数计算得到条带充填体极限荷载σj，根据覆岩压力梯度γ、煤层埋深H、条带充填体宽度a和条带充填体间距b 参数计算得到条带充填体柱实际承受荷载σP，其中，所述条带充填体极限荷载,所述条带充填体塑性区宽度Y=-13.885+0.00147H+1.679t+30.883(1-ρ)，所述t是煤层采厚，m；ρ是采空区面积充填率，ρ=a/(a+b)；a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m；
根据极限荷载σj、实际承受的荷载σP计算条带充填体稳定性系数K；
根据所述条带充填体稳定性系数K判断条带充填体的稳定性；
其中，所述根据所述条带充填体稳定性系数K判断条带充填体的稳定性包括当K大于2.5时，认为条带充填体具有较好的稳定性，反之，认为条带充填体稳定性不足。
2.根据权利要求1所述的条带充填体稳定性的评价方法，其特征在于，所述条带充填体柱实际承受荷载，所述 a是条带充填体宽度，m；b是条带充填体间距，m。
3.根据权利要求2所述的条带充填体稳定性的评价方法，其特征在于，所述条带充填体稳定性系数。
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