CN108868770B - 一种充填开采岩层位态精准控制设计方法 - Google Patents

一种充填开采岩层位态精准控制设计方法 Download PDF

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Abstract

一种充填开采岩层位态精准控制设计方法，属于充填开采领域。方法：A、由充填开采目的确定控制对象；B、由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；C、由岩层位态精准控制要求解算临界充实率；D、由临界充实率确定充填体临界地基系数；E、由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数；F、根据夯实工艺参数实施充填开采工艺；G、设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测；H、由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度；I、反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数；J、实现充填开采岩层位态精准控制。本方法科学、实用，促进充填工艺设计的科学性、岩层位态控制的精准性，实现充填开采岩层位态精准控制。

Description

一种充填开采岩层位态精准控制设计方法
技术领域
本发明涉及充填开采领域，尤其涉及一种充填开采岩层位态精准控制设计方法。
背景技术
我国资源赋存的特点是缺油、少气、富煤，煤炭在一次能源消费构成中占比较大，其战略主体地位在一段时间内基本不会动摇。充填采煤是我国近年来迅速发展的一种采用充填材料进行采空区回填的绿色开采技术，在环境保护、地表沉陷控制及生态矿山建设方面具有突出技术优势，国家从战略上一直重视鼓励条件允许的矿井采用充填开采技术回采优质煤炭资源。
目前充填采煤岩层控制方面已取得了一些理论研究成果，但是实现充填开采岩层位态精准控制的设计方法尚未形成。
本发明所涉及的充填开采岩层位态精准控制设计方法，可以指导充填开采岩层位态控制设计，以实现岩层位态的精准控制，保障不同充填开采工程背景下控制目标的控制效果。该设计方法可以丰富充填开采岩层控制基础理论。
发明内容
本发明的目的是要提供一种充填开采岩层位态精准控制设计方法，解决传统的充填开采设计方法中无法科学精准控制充填效果的问题。
为达到充填开采岩层位态的精准控制，本发明设计方法步骤如下：
A、由充填开采目的确定控制对象；
B、由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；
C、由岩层位态精准控制要求解算岩层破断的临界充实率；
D、由临界充实率确定充填体临界地基系数；
E、由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数；
F、根据夯实工艺参数实施充填开采工艺；
G、设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测；
H、由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度；
I、反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数；
J、实现充填开采岩层位态精准控制。
所述的步骤A根据充填开采目的确定控制对象，步骤B由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；控制充实率
Figure BDA0001692621060000011
实现不同的充填开采目的；充实率
Figure BDA0001692621060000012
越高，岩层控制的效果越好；计算得出不同充填开采目的的临界充实率
Figure BDA0001692621060000013
保证
Figure BDA0001692621060000014
实现岩层位态的精准控制；
充填开采目的包括：建筑物或构筑物下充填采煤、坚硬顶板下采煤、水体下保水充填采煤、充填防治冲击矿压、充填处理固体废弃物、充填回收房式煤柱，所述的处理固体废弃物为井下矸石不升井；不同的充填开采目的下，对充实率
Figure BDA0001692621060000015
的要求不一而足，所述的充实率
Figure BDA0001692621060000016
是表征充填密实程度；
针对建筑物或构筑物下开采：根据不同压煤类型和覆岩结构开采后岩层运动的设防指标，得到一个地面建筑物能承受的极限开采厚度hmax，固体充填采煤的等价采高he必须满足he≤hmax，以h表示采高，充实率
Figure BDA0001692621060000021
与采高的关系为：
Figure BDA0001692621060000022
在建筑物或构筑物下进行充填开采保证充实率
Figure BDA0001692621060000023
针对坚硬顶板下开采；运用能量法原理，坚硬顶板下沉值越大其内部积聚的弹性冲击能E越大，充填体吸收能量小于临界弹性冲击能时会产生动力灾害；较高的充实率
Figure BDA0001692621060000024
能有效抑制坚硬顶板的变形，降低煤岩体的弹性冲击能E；保证
Figure BDA0001692621060000025
实现坚硬顶板下精准开采；
针对房式煤柱回收开采；采用充填开采保证采场顶板稳定；较高的充实率
Figure BDA0001692621060000026
充填体具有较高的强度，当充填体强度Q满足顶板来压所需的支护强度时顶板就能够保持稳定；控制充实率满足
Figure BDA0001692621060000027
Figure BDA0001692621060000028
实现房式煤柱回收过程中顶板保持稳定；
针对水体下、承压水上保水开采；充填开采减小导水裂隙带的发育范围，充实率增加，抑制顶板下沉，由采动产生的导水裂隙带发育高度和深度都会减小；根据导水裂隙带发育范围与充实率
Figure BDA0001692621060000029
的关系，设计充实率满足
Figure BDA00016926210600000210
实现水体下、承压水上保水开采；
针对矸石井下回填；采用充填开采处理废弃矸石，保证矸石产量T满足充填要求，即保证
Figure BDA00016926210600000211
Figure BDA00016926210600000212
求得满足矸石处理产量所需的临界充实率
Figure BDA00016926210600000213
在进行充填过程中保证
Figure BDA00016926210600000214
满足矸石处理的要求。
所述的步骤C解算岩层破断的临界充实率，具体为：
(1)临界充实率的分类
按照岩层位态分类，临界充实率
Figure BDA00016926210600000215
具体包括：关键层破坏临界充实率、关键层弯曲下沉临界充实率、基本顶弯曲下沉临界充实率、整体弯曲下沉临界充实率；
按照充填目的分类，临界充实率
Figure BDA00016926210600000216
可分为：建筑物或构筑物下开采临界充实率、房式煤柱回收临界充实率、保水开采临界充实率、矸石井下回填临界充实率。
(2)临界充实率求解
(a)建筑物或构筑物下开采临界充实率求解
临界充实率
Figure BDA00016926210600000217
的求解步骤为：控制对象分析→控制的关键岩层层位判断→确定临界充实率
Figure BDA00016926210600000218
的控制值→确定覆岩控制指标→覆岩离层及破断判别→临界充实率
Figure BDA00016926210600000219
解算。
(b)房式煤柱回收临界充实率求解
确定固体充填房式煤柱区域弹性地基系数→建立固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型→固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型求解。
(c)保水开采临界充实率求解
收集地质资料→取岩样并通过试验获取煤岩体物理力学参数→利用有限元分析软件建立固体充填采煤数值计算模型→模拟采高、充实率与导水裂隙带发育范围的关系→得出导水裂隙带发育范围公式，求得保水开采临界充实率
Figure BDA00016926210600000220
(d)矸石井下回填临界充实率求解
由矸石井下回填临界充实率公式
Figure BDA00016926210600000221
求解，公式中各项参数可由实验或现场调研获得；式中，T0表示矸石处理量，d表示充填步距，h表示采高，L表示工作面长度，ρ表示充填体压实成形密度。
所述的步骤D由临界充实率确定充填体临界地基系数，具体为：
根据步骤C中所得充实率
Figure BDA0001692621060000031
和地基系数kg的关系(7)代入岩层破断时的临界充实率
Figure BDA0001692621060000032
和(qn)1，即可得出充填体所需的临界地基系数kg临界。
采场上覆1～n层岩层对第一层岩层的总荷载(qn)1为：
Figure BDA0001692621060000033
式中，Eo、En、Ei、hn、hi、γi分别表示采场上覆第o、n、i层岩层的弹性模量、厚度、容重。情况1：采场上覆第1～o-1层岩层先破断，o～n层岩层同步破断，其中第o层岩层为控制第n层岩层破断的关键层，且当o＝1时式中无第二项
Figure BDA0001692621060000034
情况2：采场上覆第1～n-1层岩层先破断，第n层岩层为关键层。
充实率
Figure BDA0001692621060000035
和地基系数kg的关系：
Figure BDA0001692621060000036
式中，ω为顶板挠度；E为单轴压缩试验得出的弹性模量；h为采高；
Figure BDA0001692621060000037
为充实率；Δ为顶板最终下沉量；σ0为原岩应力，此处取(qn)1，其表示采场上覆1～n层岩层对第1层岩层的总载荷。代入岩层破断时的临界充实率
Figure BDA0001692621060000038
和(qn)1，得出充填体所需的临界地基系数kg临界。
所述步骤E由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数，其具体步骤如下：
(a)建立夯实成形基本分析模型；
(b)确定充填工艺基本参数，包括：充填体初始密度ρ0、采煤高度h、充填步距d，支架宽度k；
(c)确定充填液压支架基本类型；
(d)确定充填体夯实成形密度影响因素及其取值范围；所述的密度影响因素包括：堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh；
(e)借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件，按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型；
(f)利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，导出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角β和夯实次数n曲线，所述的夯实次数n由夯实角α的范围决定；
(g)利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件对不同影响因素去下进行多元回归拟合，得到夯实作用总体积V总累积的表达式；
(h)得出充填体夯实成形时密度与夯实工艺参数的表达式，确定夯实工艺参数堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n和夯实力σh。
所述的步骤E中的步骤(a)，夯实成形基本分析模型的建立，其具体步骤如下：
a、确定充填体夯实成形体积V：充填体夯实成形体积V由采煤高度h、充填步距d，支架宽度k决定，即：
V＝h·d·k (39)
b、确定夯实作用总体积V总累积：夯实作用总体积V总累积为单次夯实作用体积Vi累积总和，即：
Figure BDA0001692621060000041
c、根据夯实成形前后质量守恒，即：
ρ0·V总累积＝ρ·V (41)
d、求解充填体成形时的密度ρ，即
Figure BDA0001692621060000042
所述的步骤E中的步骤(b)：充填工艺中基本参数包括充填体初始密度ρ0、采煤高度h、充填步距d，支架宽度k。
所述的步骤E中的步骤(c)：充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反四连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架；液压支架的架型选择由地质条件和采煤工艺确定。
所述的步骤E中子步骤(d)：充填体成形密度主要影响因素包括堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh其取值依据具体如下：
a、根据充填工艺的总结与现场经验，堆料高度hd与采高h的关系为：
hd＝k0(h-g) (43)
式中：k0为堆料系数，一般取0.6～0.9；g表示多孔底卸式输送机的悬挂高度，由架型确定；
b、自然安息角β由所选择的充填体自身决定，根据充填工艺的总结与现场经验取值范围为34～60°；
c、夯实次数n由设计充实率确定，其对应第i次对充填体实施夯实时的夯实角αi与夯实次数n的关系为：
Figure BDA0001692621060000051
式中，αmin为最小夯实角，αmax为最大夯实角，αmin由充填液压支架的结构干涉决定，αmax由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定；
d、定义充填系数κ，表示充填体夯实成形前后体积比值，即：
Figure BDA0001692621060000052
充填物料在夯实过程中的应变ε为：
Figure BDA0001692621060000053
而在充填体压实成形过程中，应变ε与夯实力σh的关系为：
ε＝f(σh) (47)
式中ε＝f(σh)表示在一定相关系数条件下充填物料压实过程中的应力应变函数关系；由式(46)、(47)可知：充填系数表征夯实机构压实充填物料的能力，即不同的夯实力σh决定不同的夯实系数；
进一步联立式(45)～(47)，得到：
Figure BDA0001692621060000054
由式(48)可知：在堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，夯实作用总体积V总累积由夯实力σh决定，其中ε＝f(σh)可由修正的充填体应力应变压实曲线得出；
联立式(48)与(42)，得到在堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，充填体压实成形密度ρ与夯实力σh的关系为：
Figure BDA0001692621060000055
由临界地基系数kg临界确定充填体压实成形密度ρ，代入式(27)求出夯实力σh。
所述的步骤E中的步骤(e)，其具体包括：
运用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件构建采煤液压支架的实体模型，具体采用Top-Down的建模理念，首先在顶层定义关键结构位置信息，然后把将这些信息传递到下层子结构中，从概念开始逐步演变为一个由零件和子组件构成的整体机构，零件建模严格按照设计图纸的尺寸进行将建立的零件模型按照彼此之间的约束关系进行装配；
对于其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆尺寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸；充填体尺寸包括堆料高度hd、自然安息角度β。
所述的步骤E中的步骤(f)：利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，通过上述软件的运动仿真模块分别导出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n曲线。
所述步骤E中的步骤(g)，按照如下步骤进行：
a、选取拟合函数可能形式中的一种；
b、利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件，拟合夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n函数式；
c、如果相关系数R2>0.95，则给出函数表达式V总累积＝f(hd,β,n)，否则重新执行a～c。
所述步骤E中的步骤(h)：将拟合夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角β和夯实次数n函数式带入(42)式，得到
Figure BDA0001692621060000061
由以上分析可知，式(50)中采煤高度h、充填步距d在具体的矿井中都是已知量；支架宽度k，堆料高度hd针对选定的某种支架来说也是固定的；充填体自然安息角β是充填物料本身决定的；代入以上已知参数至式(50)可以确定充填开采的夯实次数n，由式(49)可以确定夯实力大小，至此夯实工艺参数都已经确定。
所述的步骤F根据夯实工艺参数实施充填开采工艺，具体为：
在工作面布置所选充填液压支架，设定液压支架夯实机构的夯实力σh，进行充填；当前一个卸料孔卸料到堆料高度hd时，即开启下一个卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填物料进行夯实，夯实次数为步骤E中子步骤(h)中确定的n；当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将多孔底卸式输送机拉移一个步距d，移至支架后顶梁前部，用夯实机构把多孔底卸式输送机下面的充填料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对多孔底卸式输送机的机头进行充填。第一轮充填完成后将多孔底卸式输送机推移一个步距至支架后顶梁后部，开始第2轮充填，合理循环以上步骤直至实现整个工作面的充填。
所述的步骤G设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测，具体为：
沿工作面推进方向，在充填体内垂直安装多排顶板动态监测仪，实时动态监测不同位置顶板动态下沉量he；监测仪上部紧密接触顶板，底座紧密接触底板；与此同时，紧临顶板动态监测仪安装位置处安装充填体应力仪，实时动态监测充填体应力σc变化；充填体应力仪的布置参数与顶板动态仪设置相同；具体是在工作面自切眼推进到不同位置时，在工作面长度方向上按等间距布置一组x台充填体应力监测仪及顶板动态监测仪进行实时顶板动态监测。
所述的步骤H由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度，具体为：
此处定义动态充实率
Figure BDA0001692621060000071
的表达式为
Figure BDA0001692621060000072
其中h表示采高，he表示顶板动态下沉量，将步骤F中监测得出的顶板动态下沉量he和采高h代入动态充实率表达式，计算得出实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000073
当
Figure BDA0001692621060000074
小于步骤C中得出的临界充实率
Figure BDA0001692621060000075
对应的岩层发生了破断；当
Figure BDA0001692621060000076
大于临界充实率
Figure BDA0001692621060000077
对应的岩层未发生破断。
设计合理的充实率
Figure BDA0001692621060000078
满足各种充填目的下岩层位态的控制要求，利用实测的顶板动态下沉值求解动态充实率
Figure BDA0001692621060000079
并与临界充实率
Figure BDA00016926210600000710
进行比较，即可判断岩层位态的精准控制程度；同时监测充填体应力σc，充填体应力σc用于判断充填体压实状态，从而判断岩层是否达到或接近稳定状态；
当需要进一步提高实测反馈的准确性时，针对不同充填目的实施辅助性监测，具体如下：建筑物或构筑物下开采，监测地表建筑物或构筑物的变形等级；房式煤柱回收开采，在煤柱中埋设钻孔应力仪，观测工作面推进过程中的煤柱内部应力增长趋势，在超前液压支架和单体支柱上安装工作阻力监测仪，安排人员实时观测煤柱的变形、垮落、片帮情况；保水开采，采用钻探和物探仪器进行监测导水裂隙带发育范围；矸石井下回填，在运矸带式输送机上安装皮带称监测某一时间段工作面的充填物料消耗量，同时记录对应时间内工作面支架的前移距离；矸石回填量的监测以工作面支架前移一次的距离并完成充填作业作为单位计算周期。
所述的步骤I反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数，具体为：
综合考虑动态充实率
Figure BDA00016926210600000711
和辅助性监测方法分析结果，反馈调节夯实力σh、夯实次数n、堆料高度hd、充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure BDA00016926210600000712
反馈调节方法如下：
动态充实率
Figure BDA00016926210600000713
小于设计需要的临界充实率
Figure BDA00016926210600000714
时，加大夯实力σh，增加夯实次数n，增加堆料高度hd或者增大充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure BDA00016926210600000715
仅微大于即1.05倍以内设计需要的临界充实率
Figure BDA00016926210600000716
时，维持原设计的夯实工艺参数和充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure BDA00016926210600000717
显著大于即1.05倍以上设计需要的临界充实率
Figure BDA00016926210600000718
时，为了提高充填开采速度并降低充填成本，减少夯实次数n，减小堆料高度hd或者调整充填体地基系数kg；
辅助性监测反馈调节方法如下：
适当加大夯实力σh，增加夯实次数n，增加堆料高度hd或者增大充填体地基系数kg的情况如下：建筑物或构筑物下开采，地表建筑物或构筑物变形大小有超过允许等级的趋势；房式煤柱回收开采，出现压力计压力值、工作阻力突然增大、煤柱片帮等情况，立刻停止工作面作业，检查原因，增加超强区域的支护强度、注浆加固煤柱等方法进行维护；保水开采，采用钻探和物探仪器监测出的导水裂隙带发育范围过大，有导通水源的危险的情况下；矸石井下回填，监测得出的每循环矸石回填量小于预计回填量。
反之，适当减小夯实力σh，减小夯实次数n，减小堆料高度hd或者减小充填体地基系数kg。
所述的步骤J实现充填开采岩层位态精准控制，具体为：
基于充填开采工程背景，明确充填采场实施岩层位态精准控制的控制要求、主控因素，针对性给定岩层位态“精准控制”的临界条件；通过充实率的精准设计、充填体地基系数的确定、夯实工艺参数确定和实施、充填效果实时监测、精准控制状态判别、工艺与参数动态反馈七个环节，实现岩层位态精准控制，同时形成充填开采岩层位态精准控制设计方法。
有益效果：本发明可以实现由充填开采目的确定控制对象，由控制对象要求确定岩层控制要求，由岩层控制要求得出所需的临界充实率和地基系数，根据地基系数设计夯实工艺参数，提出了现场岩层位态监测工艺和夯实工艺和充填材料的反馈调节方法。本设计方法科学、实用，可为充填开采技术的推广应用提供工程技术指导，进一步促进充填开采工艺设计的科学性、精准性，以实现充填开采岩层位态的精准控制。
附图说明
图1为本发明的充填开采岩层位态精准控制设计方法图。
图2为本发明的第1层岩层破断临界充实率与其抗拉强度关系图。
图3为本发明的充填体应力应变监测设备及监测方法示意图。
图4为本发明的充填体应力应变监测数据传输示意图。
图5为本发明的煤柱位置图。
图6为本发明的顶板支护系统力学模型图。
图7为本发明的煤柱区域上方应力分布曲线示意图。
图8为本发明的单个煤柱结构受力状态图。
图9为本发明的单个煤柱结构受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的内容进行详细讲解。
本发明设计方法步骤如下：
A、由充填开采目的确定控制对象；
B、由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；
C、由岩层位态精准控制要求解算岩层破断的临界充实率；
D、由临界充实率确定充填体临界地基系数；
E、由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数；
F、根据夯实工艺参数实施充填开采工艺；
G、设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测；
H、由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度；
I、反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数；
J、实现充填开采岩层位态精准控制。
所述的步骤A根据充填开采目的确定控制对象，步骤B由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；控制充实率
Figure BDA0001692621060000091
实现不同的充填开采目的；充实率
Figure BDA0001692621060000092
越高，岩层控制的效果越好；计算得出不同充填开采目的临界充实率
Figure BDA0001692621060000093
保证
Figure BDA0001692621060000094
实现岩层位态的精准控制；
充填开采目的包括：建筑物或构筑物下充填采煤、坚硬顶板下采煤、水体下保水充填采煤、充填防治冲击矿压、充填处理固体废弃物、充填回收房式煤柱，所述的处理固体废弃物为井下矸石不升井；不同的充填开采目的下，对充实率
Figure BDA0001692621060000095
的要求不一而足，所述的充实率
Figure BDA0001692621060000096
是表征充填密实程度；不同充填开采目的下充实率控制设计要求见表1。
表1 不同充填开采目的下充实率控制设计要求
Figure BDA0001692621060000097
注：
Figure BDA0001692621060000098
为覆岩下沉值-充实率方程，m；Memax为最大等价采高，m；
Figure BDA0001692621060000099
分别为裂隙发育高度、深度-充实率方程，m；H0、D0分别为导水裂隙带允许最大高度、深度，m；
Figure BDA00016926210600000910
为煤柱压力-充实率方程，MPa；σp为煤柱极限强度，MPa；
Figure BDA00016926210600000911
为矸石回填量-充实率方程，t；T0为要求矸石处理量，t。
针对建筑物或构筑物下开采：根据不同压煤类型和覆岩结构开采后岩层运动的设防指标，得到一个地面建筑物能承受的极限开采厚度hmax，固体充填采煤的等价采高he必须满足he≤hmax，以h表示采高，充实率
Figure BDA00016926210600000912
与采高的关系为：
Figure BDA00016926210600000913
在建筑物或构筑物下进行充填开采保证充实率
Figure BDA00016926210600000914
针对坚硬顶板下开采；运用能量法原理，坚硬顶板下沉值越大其内部积聚的弹性冲击能E越大，充填体吸收能量小于临界弹性冲击能时会产生动力灾害；较高的充实率
Figure BDA00016926210600000915
能有效抑制坚硬顶板的变形，降低煤岩体的弹性冲击能E；保证
Figure BDA00016926210600000916
实现坚硬顶板下精准开采；
针对房式煤柱回收开采；采用充填开采保证采场顶板稳定；较高的充实率
Figure BDA00016926210600000917
能够降低煤柱承受的载荷p，保证煤柱的强度大于其所受载荷煤柱就能够保持稳定；控制充实率满足
Figure BDA00016926210600000918
实现房式煤柱安全回收；
针对水体下、承压水上保水开采；充填开采减小导水裂隙带的发育范围，充实率增加，抑制顶板下沉，由采动产生的导水裂隙带发育高度和深度都会减小；根据导水裂隙带发育范围与充实率
Figure BDA00016926210600000919
的关系，设计充实率满足
Figure BDA0001692621060000101
实现水体下、承压水上保水开采；
针对矸石井下回填；采用充填开采处理废弃矸石，保证矸石产量T满足充填要求，即保证
Figure BDA0001692621060000102
Figure BDA00016926210600001015
求得满足矸石处理产量所需的临界充实率
Figure BDA0001692621060000103
在进行充填过程中保证
Figure BDA0001692621060000104
满足矸石处理的要求。
所述的步骤C解算岩层破断的临界充实率，具体为：
(1)临界充实率基本概念：
充填体夯实成形时不同的致密程度决定不同的地基系数k，所述的地基系数k为非线性系数；其在上覆岩层的作用下表现为不同的抗变形能力，从而导致直接顶、基本顶，直至结构关键层等不同层位的上覆岩层的运动程度被分别控制在具有明显特征差异的不同阶段，这些导致不同层位的覆岩具有明显运动状态特征差异的充实率
Figure BDA0001692621060000105
定义为临界充实率
Figure BDA0001692621060000106
(2)临界充实率的分类
表2 不同临界充实率的定义描述
Figure BDA0001692621060000107
按照岩层位态分类，临界充实率
Figure BDA0001692621060000108
具体包括：关键层破坏临界充实率、关键层弯曲下沉临界充实率、基本顶弯曲下沉临界充实率、整体弯曲下沉临界充实率；不同临界充实率
Figure BDA0001692621060000109
定义描述见表2。
按照充填目的分类，临界充实率
Figure BDA00016926210600001010
可分为建筑物或构筑物下开采临界充实率、房式煤柱回收临界充实率、保水开采临界充实率、矸石井下回填临界充实率。
不同类型的临界充实率求解方法各不相同。
(3)临界充实率求解
(a)建筑物或构筑物下开采临界充实率求解
临界充实率
Figure BDA00016926210600001011
的求解步骤为：控制对象分析→控制的关键岩层层位判断→确定临界充实率
Figure BDA00016926210600001012
的控制值→确定覆岩控制指标→覆岩离层及破断判别→临界充实率
Figure BDA00016926210600001013
解算；下面以有周期来压的顶板类型为例，逐层求解其上覆不同岩层破断的临界充实率
Figure BDA00016926210600001014
设采场上覆共有m层岩层，各岩层的厚度为hi(i＝1，2，…，n，n+1，…，m)，体积力为γi(i＝1，2，…，n，n+1，…，m)，弹性模量为Ei(i＝1，2，…，n，n+1，…，m)，根据叠合梁原理最终可以得到采场上覆1～n层岩层对第1层岩层的总载荷为：
Figure BDA0001692621060000111
式(1)中情况1：采场上覆第1～o层岩层先破断，o～n层岩层同步破断，其中第o层岩层为控制第n层岩层破断的关键层，且当o＝1时式中无第二项
Figure BDA0001692621060000112
情况2：采场上覆第1～n-1层岩层先破断，第n层岩层为关键层；
首先进行岩层间离层的判断，根据离层的定义与变形特征，第n层岩层与第n+1层岩层发生离层应满足岩层刚度(变形)判别条件：
(qn+1)o＜(qn)o (2)
式(2)中(qn+1)o表示采场上覆第o～n+1层岩层对第o层岩层的总载荷，(qn)o表示采场上覆第o～n层岩层对第o层岩层的总载荷，其中n≥o(o＝1，2，…，n)，第o层岩层为控制第n层岩层破断的关键层；
假设采场上覆第n层为所求极限破断岩层，设定为两端固支的弹性地基梁模型，取梁的宽度为单位长度，长度为l；
当(qn+1)o＜(qn)o，则岩层在第n层与n+1层之间发生离层，第o层至第n层岩层协调变形，根据梁的受力微分原理，第n层岩层的挠度微分方程式为：
Figure BDA0001692621060000113
式中，Eo，Io为第o层岩梁的弹性模量和惯性矩；k为下伏岩层叠加后总体的地基系数；取特征系数
Figure BDA0001692621060000114
求解式(3)得：
Figure BDA0001692621060000115
当(qn)o＜(qn-1)o，则岩层在第n层与n-1层之间发生离层，同理可得第n层岩层的挠度微分方程为：
Figure BDA0001692621060000116
式中，En，In为第n层岩梁的弹性模量和惯性矩；k为下伏岩层叠加后总体的地基系数；其中(qm)n表示第n～m层岩层对第n层岩层的总载荷，第m层岩层为被第n层岩层控制的最上层岩层；
取特征系数
Figure BDA0001692621060000121
求解式(5)得：
Figure BDA0001692621060000122
充填体弹性模量E、充实率
Figure BDA0001692621060000123
和充填体地基系数kg的关系为：
Figure BDA0001692621060000124
式中，ω为顶板挠度；E为单轴压缩试验得出的弹性模量；h为采高；
Figure BDA0001692621060000125
为充实率；Δ为顶板最终下沉量；σ0为原岩应力，此处取(qn)1，其计算方法见式(1)；kg为充填体地基系数；
由式(7)可以推导出充填体地基系数kg与充实率
Figure BDA0001692621060000126
的关系式：
Figure BDA0001692621060000127
式中，h为采高，m；
当采场上覆第n层为所求极限破断岩层时，采场上覆n-1层岩层应全部发生破断，支撑第n层岩层，将其全部简化为弹性地基，其地基系数用k1，k2，…，kn-1表示，则n-1层岩层和充填体叠加后总体的地基系数k为：
Figure BDA0001692621060000128
其中，ki＝Ei/hi(i＝1,2,3,…,n-1)，由于将组合梁简化为两端固支梁的模型，故而易知梁的边界条件为：
Figure BDA0001692621060000129
将上述边界条件(10)、总体的地基系数k的关系式(9)代入式(4)、(6)，即可解得系数d1，d2，d3，d4；
梁任意一截面的转角θ、弯矩M、剪力Q与挠度ω(x)的关系为：
Figure BDA0001692621060000131
式中，EI为梁抗弯刚度，N·m2；
矩形截面梁的最大拉应力σt与最大弯矩M关系为：
Figure BDA0001692621060000132
式中，hn为矩形截面梁厚度，m；
根据第一强度理论，岩层不发生断裂时满足最大拉应力σtmax小于等于岩层许用应力[σt]，即：
σtmax≤[σt] (13)
对于两端固支梁模型，最大弯矩位于两端的固支端处，此处拉应力也最大，即：
Figure BDA0001692621060000137
联立式(4)、(6)、(10)～(12)，可求得采场上覆n层岩层和充填体叠加后总体的地基系数k与岩层拉应力σt的关系为：
Figure BDA0001692621060000133
联立式(8)、(9)、(13)～(15)可求得临界充实率
Figure BDA0001692621060000134
与岩层许用应力[σt]的关系为：
Figure BDA0001692621060000135
式(16)中[σt]o、[σt]n分别表示第o、n层岩层的抗拉强度，(Mmax)o、(Mmax)n分别表示采场上覆第o、n层岩层的最大弯矩，式中各项参数均可通过测试或者计算得出，代入即可得出第n层岩层破断的临界充实率
Figure BDA0001692621060000136
(b)房式煤柱回收临界充实率求解
确定固体充填房式煤柱区域弹性地基系数→建立固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型→固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型求解。
充填开采房式煤柱回收过程中需保证未充填区域煤柱的稳定性，其安全开采临界充实率的求解步骤如下：
a、确定固体充填房式煤柱区域弹性地基系数
对于确定固体充填房式煤柱区域弹性地基系数，其具体如下：
每个煤柱可视为相同的受压弹性直杆，由于采场推进长度远大于煤柱的尺寸，且煤柱是等距分布的，则可将这些弹性直杆近似地等效成连续分布的Winkler弹性地基，弹性地基系数为kp。煤柱的支撑面积按平均法计算，则煤柱支撑区域弹性地基系数为：
Figure BDA0001692621060000141
式中，a，b为煤柱长宽；a1，b1为煤房长宽；Ep为煤柱弹性模量；h为煤柱高度。
b、建立固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型
工作面前方的煤柱距离工作面两侧越近受边界煤柱的“应力分担”效应越明显；分析可知工作面前方中部位置的煤柱受力最大，最容易破坏，所以选取以工作面前方中间位置的一排煤柱为对象，如图5所示。
板承受的覆岩重量等效为均布载荷q；前部煤柱简化Winkler弹性基础，其支撑力为kpω；后部充填体也视为是弹性体，其支撑力为kbω，顶板可视为两端固支梁，即将充填体-煤柱-顶板系统简化为弹性地基梁模型，如图6所示。
O点建在煤柱区域与充填体交界处，以位移函数ω(x)为基本未知量，建立坐标系。图中：lp为房式煤柱区域长度，lb为采空区长度，q为顶板承受的覆岩载荷，kp为煤柱区域弹性地基系数，kb为充填体弹性地基系数，ω(x)为顶板挠度。
c、固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型求解
利用Winkler假设，挠度ω(x)与载荷q、地基压力p(x)的关系为
Figure BDA0001692621060000142
式中，EI为梁截面的抗弯刚度。
煤柱、充填体上的顶板挠度方程分别为
Figure BDA0001692621060000143
Figure BDA0001692621060000144
取特征系数
Figure BDA0001692621060000145
Figure BDA0001692621060000146
则式(7)和(8)分别变为
Figure BDA0001692621060000147
Figure BDA0001692621060000151
求解方程(21)和(22)，其通解为
Figure BDA0001692621060000152
则梁任意一截面的转角θ、弯矩M、剪力Q与挠度ω(x)的关系为
Figure BDA0001692621060000153
固支端边界条件：
Figure BDA0001692621060000154
连续性条件：原点处挠度、弯矩、转角及剪力相等。
Figure BDA0001692621060000155
常数d1d2d3d8为待求参数，代入边界条件及连续性条件即可求得顶板弯曲下沉方程ω(x)。
由式(23)可得煤柱上方顶板挠度方程：
Figure BDA0001692621060000156
煤柱上方任一点应力为：
Q＝kpω(x) (28)
将式(27)代入式(28)，得到
Figure BDA0001692621060000161
煤柱区域应力分布如图7所示。
选取图3中A-B部分对单个煤柱受力进行分析，单个煤柱受力状态及分析如图8、9所示。
假设单个煤柱承载的区域坐标范围为[x1，x2；y1，y2]，区域范围包括煤柱的长度及煤柱两侧煤房的宽度的1/2，则单个煤柱受力为对该区域范围的应力进行积分：
Figure BDA0001692621060000162
将式(29)代入(30)，得
Figure BDA0001692621060000163
利用MAPLE数学计算软件进行积分，得到单个煤柱受力为：
Figure BDA0001692621060000164
充填体地基系数与充实率之间的关系：
Figure BDA0001692621060000165
煤柱的强度按照最广泛应用的Bieniawski公式，其计算公式如下：
σp＝σ1(0.64+0.36W/h) (34)
式中，σ1为立方体煤柱的原位强度，MPa；h为煤柱高度，m。
式(34)中σ1的计算公式为：
Figure BDA0001692621060000166
式中，σc为试验室圆柱体试样的平均单轴抗压强度，MPa；D为实验室圆柱体试样的直径，m。在使用时当煤柱高度h大于0.9m时取0.9m。
按照煤柱的极限强度理论，煤柱的稳定性主要取决于煤柱应力和煤柱强度。当煤柱应力超过煤柱强度时，煤柱将失稳破坏，通常用安全系数来定量评定，煤柱稳定性安全系数计算公式为：
F＝σp/p (36)
安全系数一般应在1.5～2.0之间，具体取值按照顶板的稳定性来定，顶板稳定性较差时采用取较大值，顶板稳定性较好时取较小值。
联立公式(24)～(36)可以得出房式煤柱安全回收临界充实率
Figure BDA0001692621060000171
(c)保水开采临界充实率求解
收集地质资料→取岩样并通过试验获取煤岩体物理力学参数→利用有限元分析软件建立固体充填采煤数值计算模型→模拟采高、充实率与导水裂隙带发育范围的关系→得出导水裂隙带发育范围公式，求得保水开采临界充实率
Figure BDA0001692621060000172
保水开采临界充实率的求解方法，其特征是以工程地质条件与岩石力学实验为基础，采用数值模拟与多远回归分析相结合的方法，得到充实率
Figure BDA0001692621060000173
采高h，与导水裂隙带发育高度H、深度D的关系表达式，然后依据充填采煤实际工程参数，得出保水开采临界充实率
Figure BDA0001692621060000174
其具体步骤如下：
a、收集充填采煤工作面工程地质条件信息，并进行煤岩体取样；
b、将取样得到的煤岩体制成标准试样，进行岩石力学实验，获取煤岩体的物理力学参数；
c、根据充填采煤工作面工程地质条件信息与煤岩体的物理力学参数，利用有限元分析软件建立固体充填采煤数值计算模型；
d、分别模拟计算采高h一定、充实率
Figure BDA0001692621060000175
变化及充实率
Figure BDA0001692621060000176
一定、采高h变化条件下的覆岩塑性区高度，采用塑性区判定法确定导水裂隙带发育高度H；
e、多元回归得到充实率
Figure BDA0001692621060000177
采高h与导水裂隙带发育高度H、发育深度D的关系表达式为：
Figure BDA0001692621060000178
式中，H表示导水裂隙带发育高度，D表示导水裂隙带发育深度，h表示采高，a、b、c、a'、b'、c'均为常数。
f、将充填采煤实际工程参数，即安全导水裂隙带发育高度H、深度D、实际采高h，代入关系表达式，计算出得出保水开采临界充实率
Figure BDA0001692621060000179
(d)矸石井下回填临界充实率求解
矸石井下回填充实率需满足矸石处理量的要求，临界充实率由以下公式得出：
Figure BDA00016926210600001710
式中，T0表示矸石处理量，d表示充填步距，h表示采高，L表示工作面长度，ρ表示充填体压实成形密度。ρ可以通过实验室压实试验获得，具体为在侧限情况下施加大小为(qn)1(其计算方法见式(1))的力对充填材料进行压实试验，取压实后充填材料的密度。
所述的步骤D由临界充实率确定充填体临界地基系数，具体为：
根据步骤C中所得充实率
Figure BDA00016926210600001712
和地基系数kg的关系(7)代入岩层破断时的临界充实率
Figure BDA00016926210600001711
和(qn)1，即可得出充填体所需的临界地基系数kg临界。
所述步骤E由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数，具体为：
(a)建立夯实成形基本分析模型；
(b)确定充填工艺基本参数，包括：充填体初始密度ρ0、采煤高度h、充填步距d，支架宽度k；
(c)确定充填液压支架基本类型；
(d)确定充填体夯实成形密度影响因素及其取值范围；所述的密度影响因素包括：堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh；
(e)借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件，按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型；
(f)利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，导出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角β和夯实次数n曲线，所述的夯实次数n由夯实角α的范围决定；
(g)利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件对不同影响因素去下进行多元回归拟合，得到夯实作用总体积V总累积的表达式；
(h)得出充填体夯实成形时密度与夯实工艺参数的表达式，确定夯实工艺参数堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n和夯实力σh。
所述的步骤E中的步骤(a)，夯实成形基本分析模型的建立，其具体步骤如下：
a、确定充填体夯实成形体积V：充填体夯实成形体积V由采煤高度h、充填步距d，支架宽度k决定，即：
V＝h·d·k (39)
b、确定夯实作用总体积V总累积：夯实作用总体积V总累积为单次夯实作用体积Vi累积总和，即：
Figure BDA0001692621060000181
c、根据夯实成形前后质量守恒，即：
ρ0·V总累积＝ρ·V (41)
d、求解充填体成形时的密度ρ，即
Figure BDA0001692621060000182
所述的步骤E中的步骤(b)：充填工艺中基本参数包括充填体初始密度ρ0、采煤高度h、充填步距d，支架宽度k。
所述的步骤E中的步骤(c)：充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反四连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架；液压支架的架型选择由地质条件和采煤工艺确定。
所述的步骤E中的步骤(d)：充填体成形密度主要影响因素包括堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh其取值依据具体如下：
a、根据充填工艺的总结与现场经验，堆料高度hd与采高h的关系为：
hd＝k0(h-g) (43)
式中：k0为堆料系数，一般取0.6～0.9；g表示多孔底卸式输送机的悬挂高度，由架型确定。
b、自然安息角β由所选择的充填体自身决定，根据充填工艺的总结与现场经验取值范围为34～60°；
c、夯实次数n由设计充实率确定，其对应第i次对充填体实施夯实时的夯实角αi与夯实次数n的关系为：
Figure BDA0001692621060000191
式中，αmin为最小夯实角，αmax为最大夯实角，αmin由充填液压支架的结构干涉决定，αmax由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定；
d、定义充填系数κ，表示充填体夯实成形前后体积比值，即：
Figure BDA0001692621060000192
充填物料在夯实过程中的应变ε为：
Figure BDA0001692621060000193
而在充填体压实成形过程中，应变ε与夯实力σh的关系为：
ε＝f(σh) (47)
式中ε＝f(σh)表示在一定相关系数条件下充填物料压实过程中的应力应变函数关系；由式(46)、(47)可知：充填系数表征夯实机构压实充填物料的能力，即不同的夯实力σh决定不同的夯实系数；
进一步联立式(45)～(47)，得到：
Figure BDA0001692621060000194
由式(48)可知：在堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，夯实作用总体积V总累积由夯实力σh决定，其中ε＝f(σh)可由修正的充填体应力应变压实曲线得出；
联立式(48)与(42)，得到在堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，充填体压实成形密度ρ与夯实力σh的关系为：
Figure BDA0001692621060000195
由临界地基系数kg临界确定充填体压实成形密度ρ，代入式(19)求出夯实力σh。
所述的步骤E中的步骤(e)，其具体包括：
运用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件构建采煤液压支架的实体模型，具体采用Top-Down的建模理念，首先在顶层定义关键结构位置信息，然后把将这些信息传递到下层子结构中，从概念开始逐步演变为一个由零件和子组件构成的整体机构，零件建模严格按照设计图纸的尺寸进行将建立的零件模型按照彼此之间的约束关系进行装配；
对于其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆尺寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸；充填体尺寸包括堆料高度hd、自然安息角度β。
所述的步骤E中的步骤(f)：利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，通过上述软件的运动仿真模块分别导出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n曲线。
所述的步骤E中的步骤(g)，按照如下步骤进行：
a、选取拟合函数可能形式中的一种；
b、利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件，拟合夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n函数式；
c、如果相关系数R2>0.95，则给出函数表达式V总累积＝f(hd,β,n)，否则重新执行a～c。
所述的步骤E中的步骤(h)：将拟合夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角β和夯实次数n函数式带入(42)式，得到
Figure BDA0001692621060000201
由以上分析可知，式(50)中采煤高度h、充填步距d在具体的矿井中都是已知量；支架宽度k，堆料高度hd针对选定的某种支架来说也是固定的；充填体自然安息角β是充填物料本身决定的；代入以上已知参数至式(50)可以确定充填开采的夯实次数n，由式(49)可以确定夯实力大小，至此夯实工艺参数都已经确定。
所述的步骤F根据夯实工艺参数实施充填开采工艺，具体为：
在工作面布置所选充填液压支架，设定液压支架夯实机构的夯实力σh，进行充填；当前一个卸料孔卸料到堆料高度hd时，即开启下一个卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填物料进行夯实，夯实次数为步骤E中的步骤(h)中确定的n；当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将多孔底卸式输送机拉移一个步距d，移至支架后顶梁前部，用夯实机构把多孔底卸式输送机下面的充填料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对多孔底卸式输送机的机头进行充填。第一轮充填完成后将多孔底卸式输送机推移一个步距至支架后顶梁后部，开始第2轮充填，合理循环以上步骤直至实现整个工作面的充填。
所述的步骤G设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测，具体为：
沿工作面推进方向，在充填体内垂直安装多排顶板动态监测仪，实时动态监测不同位置顶板动态下沉量he；监测仪上部紧密接触顶板，底座紧密接触底板；与此同时，紧临顶板动态监测仪安装位置处安装充填体应力仪，实时动态监测充填体应力σc变化；充填体应力仪的布置参数与顶板动态仪设置相同；具体是在工作面自切眼推进到不同位置时，在工作面长度方向上等间距布置一组x台充填体应力监测仪及顶板动态监测仪进行实时顶板动态监测。
所述的步骤H由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度，具体为：
此处定义动态充实率
Figure BDA0001692621060000211
的表达式为
Figure BDA0001692621060000212
式中，h表示采高，he表示顶板动态下沉量，将步骤F中监测得出的顶板动态下沉量he和采高h代入动态充实率表达式，计算得出实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000213
当
Figure BDA0001692621060000214
小于步骤C中得出的临界充实率
Figure BDA0001692621060000215
对应的岩层发生了破断；当
Figure BDA0001692621060000216
大于临界充实率
Figure BDA0001692621060000217
对应的岩层未发生破断。
设计合理的充实率
Figure BDA0001692621060000218
满足各种充填目的下岩层位态的控制要求，利用实测的顶板动态下沉值求解动态充实率
Figure BDA0001692621060000219
并与临界充实率
Figure BDA00016926210600002110
进行比较，即可判断岩层位态的精准控制程度；同时监测充填体应力σc，充填体应力σc用于判断充填体压实状态，从而判断岩层是否达到或接近稳定状态；
当需要进一步提高实测反馈的准确性时，针对不同充填目的实施辅助性监测，具体如下：建筑物或构筑物下开采，监测地表建筑物或构筑物的变形等级；房式煤柱回收开采，在煤柱中埋设钻孔应力仪，观测工作面推进过程中的煤柱内部应力增长趋势，在超前液压支架和单体支柱上安装工作阻力监测仪，安排人员实时观测煤柱的变形、垮落、片帮情况；保水开采，采用钻探和物探仪器进行监测导水裂隙带发育范围；矸石井下回填，在运矸带式输送机上安装皮带称监测某一时间段工作面的充填物料消耗量，同时记录对应时间内工作面支架的前移距离。矸石回填量的监测以工作面支架前移一次的距离并完成充填作业作为单位计算周期。
所述的步骤I反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数，具体为：
综合考虑动态充实率
Figure BDA00016926210600002118
和辅助性监测方法分析结果，反馈调节夯实力σh、夯实次数n、堆料高度hd、充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure BDA00016926210600002111
反馈调节方法如下：
动态充实率
Figure BDA00016926210600002112
小于设计需要的临界充实率
Figure BDA00016926210600002113
时，加大夯实力σh，增加夯实次数n，增加堆料高度hd或者增大充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure BDA00016926210600002114
仅微大于即1.05倍以内设计需要的临界充实率
Figure BDA00016926210600002115
时，维持原设计的夯实工艺参数和充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure BDA00016926210600002116
显著大于即1.05倍以上设计需要的临界充实率
Figure BDA00016926210600002117
时，为了提高充填开采速度并降低充填成本，减少夯实次数n，减小堆料高度hd或者调整充填体地基系数kg；
辅助性监测反馈调节方法如下：
适当加大夯实力σh，增加夯实次数n，增加堆料高度hd或者增大充填体地基系数kg的情况如下：建筑物或构筑物下开采，地表建筑物或构筑物变形大小有超过允许等级的趋势；房式煤柱回收开采，出现压力计压力值、工作阻力突然增大、煤柱片帮等情况，立刻停止工作面作业，检查原因，增加超强区域的支护强度、注浆加固煤柱等方法进行维护；保水开采，采用钻探和物探仪器监测出的导水裂隙带发育范围过大，有导通水源的危险的情况下；矸石井下回填，监测得出的每循环矸石回填量小于预计回填量。
反之，适当减小夯实力σh，减小夯实次数n，减小堆料高度hd或者减小充填体地基系数kg。
所述的步骤J实现充填开采岩层位态精准控制，具体为：
基于充填开采工程背景，明确充填采场实施岩层位态精准控制的控制要求、主控因素，针对性给定岩层位态“精准控制”的临界条件；通过充实率的精准设计、充填体地基系数的确定、夯实工艺参数确定和实施、充填效果实时监测、精准控制状态判别、工艺与参数动态反馈七个环节，实现岩层位态精准控制，同时形成充填开采岩层位态精准控制设计方法。
实施例1：下面结合附图和具体工程实际，以建筑物或构筑物下开采为例对本发明一种充填开采岩层位态精准控制设计方法进行详细描述。
工程背景：某矿7203W固体充填工作面对应地表为村庄和农田，工作面垂深为517.1～565.8m，对应地面标高+177.1～+181.2m，井下标高-340～-384.6m，平均走向长286m；平均倾斜长92.8m，煤层厚度2.7m，煤层平均倾角10.5°，可采储量约9.38万t。工作面采用的固体充填材料为矸石。
一种充填开采岩层位态精准控制设计方法，具体按照以下步骤进行：
A、由充填开采目的确定控制对象；
B、由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；
C、由岩层位态精准控制要求解算临界充实率；
D、由临界充实率确定充填体临界地基系数；
E、由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数；
F、根据夯实工艺参数实施充填开采工艺；
G、设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测；
H、由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度；
I、反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数；
J、实现充填开采岩层位态精准控制。
所述步骤A根据充填开采目的确定控制对象，步骤B由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求，具体如下：
由于该工作面上方对应地表为村庄、农田，充填开采的目的是减少工作面对应地表农田和村庄的下沉，属于建筑物或构筑物下开采，控制的对象为建筑物变形级别和农田所在区域地表下沉量，要求村庄建筑物变形在安全范围内，农田下沉量不影响正常耕种。这些控制要求的实现基于开采后覆岩下沉不大于最大等价采高，其通过控制充实率
Figure BDA0001692621060000221
大于直接顶破坏临界充实率
Figure BDA0001692621060000222
来实现，即
Figure BDA0001692621060000223
所述步骤C解算岩层破断的临界充实率，具体如下：
根据翟镇煤矿7203W工作面实际地质条件，通过对工作面上覆岩层进行岩芯取样，在实验室测得其各个岩层物理力学性质参数见表3。
表3 岩层弹性模量和密度汇总
Figure BDA0001692621060000231
根据式(2)可以得到上覆各个岩层对第1层砂岩和第2层粉砂岩影响时形成的载荷见表4。
表4 各个岩层对第1层和第2层载荷汇总表
Figure BDA0001692621060000232
根据表4各岩层载荷值中(q1)1>(q2)1、(q3)2>(q4)2，结合岩层刚度判别条件公式(2)可知：工作面上覆岩层中，第1层砂岩与第2层粉砂岩，第3层砂岩与第4层粉砂岩之间将发生离层，第2层砂岩与第3层粉砂岩之间将变形协同下沉。
依据该矿现场地质条件，煤层采高3.0m，潜在冒落高度取90m，工作面推进距离取100m；当第1层砂岩为研究对象时，根据式(16)即可得到第一层岩层内部拉应力[σt]1与临界充实率
Figure BDA0001692621060000234
的关系，如图2所示。
结合第一层岩层许用应力值[σt]1，即可得出第1层发生破断时的临界充实率
Figure BDA0001692621060000235
同理可得出第2层粉砂岩、第3层砂岩与第4层粉砂岩发生破断时的临界充实率。
结合各个岩层的抗拉强度值可知：第1层砂岩发生破断的临界充实率为92％；第2层粉砂岩发生破断的临界充实率为75％；第3层砂岩发生破断的临界充实率为65％；第4层粉砂岩发生破断的临界充实率为52％，具体见表5。
表5 各个岩层破断临界充实率汇总
Figure BDA0001692621060000233
由于该工作面上方对应地表为村庄，农田，因此将充填开采的控制指标设定为密实充填，即覆岩整体控制为弯曲下沉，即临界充实率
Figure BDA0001692621060000236
的内涵为整体弯曲下沉临界充实率，结合前面介绍的临界充实率计算方法，得到临界充实率
Figure BDA0001692621060000237
控制指标为92％。
所述步骤D由临界充实率确定充填体临界地基系数，具体为：
充填体地基系数与充实率的关系式，通过将前面计算得出的第一层岩层破断的临界充实率
Figure BDA0001692621060000241
92％代入公式(8)，计算得出充填体临界地基系数kg临界为0.451MPa/m。
所述步骤E由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数，具体为：
建立夯实成形基本模型，其表达式如下：
Figure BDA0001692621060000242
根据上述工作面概况确定基本参数包括：采煤高度h为2.8m，充填步距k为0.6m，充填体初始容重ρ0为1.35t/m3。
根据上述工作面概况确定采用四柱四连杆充填液压支架；
根据充填工艺确定堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh为充填体夯实成形密度的重要影响因素。堆料高度hd的变化范围为1.3～2.2m，夯实次数n的变化范围为3～7次，自然安息角度β的变化范围为34～60°。
通过公式(27)确定夯实力σh与夯实成形密度的关系式为：
Figure BDA0001692621060000243
本矿采用矸石充填，充填体初始容重ρ0为1.35t/m3，根据kg临界充填体临界地基系数与充填体密度之间的关系确定充填体夯实成形密度ρ为1.71t/m3，代入上式求得夯实力大小σh为2MPa。
借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks等三维软件，按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型。
拟合函数选择多元线性函数，利用Matlab、Mathematica和Mathcad软件，拟合得出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n函数式：
V总累积＝4.9435+1.8534h-0.1504β+0.1585n
将夯实作用总体积V总累积代入式(20)，得到该矿充填体夯实成形密度ρ表达式：
Figure BDA0001692621060000244
根据充填体密度与地基系数的关系得出充填体夯实成形密度ρ为1.71t/m3，采煤高度h＝2.8m，支架宽度k＝1.5m，充填步距d＝0.6m，充填体初始密实度ρ0＝1.35t/m3，自然安息角β＝42°，堆料高度hd＝1.82m，计算得出夯实次数n＝5(夯实角变化范围为3.0～29.6°)。
所述的步骤F根据夯实工艺参数实施充填开采工艺，其具体为：
在工作面布置所选的四柱四连杆充填液压支架，设定液压支架夯实机构的夯实力σh为2MPa，进行充填作业。当前一个卸料孔卸料到堆料高度hd为1.82m时，即开启下一个卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填物料进行夯实，夯实5次(夯实角变化范围为3.0～29.6°)。当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将多孔底卸式输送机拉移一个步距0.6m，移至支架后顶梁前部，用夯实机构把多孔底卸式输送机下面的充填料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对多孔底卸式输送机的机头进行充填。第一轮充填完成后将多孔底卸式输送机推移一个步距至支架后顶梁后部，开始第2轮充填，合理循环以上步骤直至实现整个工作面的充填。
所述的步骤G设计现场监测工艺，实时监测岩层位态变化，具体设计为：
沿工作面推进方向，在充填体内垂直安装多排顶板动态监测仪，实时动态监测不同位置顶板动态下沉量he。监测仪上部紧密接触顶板，底座紧密接触底板，与此同时，紧临顶板动态监测仪安装位置处安装充填体应力仪和顶板动态监测仪，实时动态监测充填体应力σc和顶板动态下沉量he的变化。监测设备采用GUD500顶板动态监测仪，具体是在工作面自切眼推进到不同位置时，布置一组5台顶板动态监测仪实时顶板动态监测，分别距轨道巷15m、30m、45m、60m、75m，监测仪器及其布置和实现方式如图3和图4所示。
所述的步骤H由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度：
将步骤F中监测得出的顶板动态下沉量he＝0.202mm和采高h＝2.7m代入式(29)，计算得出实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000251
实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000252
大于步骤C中计算的第1层发生破断时的临界充实率
Figure BDA0001692621060000253
说明对应的岩层未发生破断。
所述的步骤I由监测结果反馈调节充填工艺和充填体地基系数，其特征在于：
实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000254
(92.5％)仅微大于步骤C中计算的第1层发生破断时的临界充实率
Figure BDA0001692621060000255
(92.0％)，地表建筑物变形监测结果满足要求，维持原来的充填工艺与充填材料参数。
所述的步骤J实现充填开采岩层位态精准控制，具体为：
本矿充填开采目的为实现村庄下开采，控制对象为工作面对应地表区域下沉量和建筑物变形级别；确定精准控制的要求未设计合理的充实率保证建筑物变形和最大地表下沉量在容许范围内；通过分析认为保证顶板仅发生弯曲下沉即可满足岩层控制要求，解算得出第一层岩层破断的临界充实率
Figure BDA0001692621060000256
为92％；根据临界充实率
Figure BDA0001692621060000257
与充填体临界地基系数kg临界的关系得出充填体临界地基系数kg临界为0.451MPa/m；建立充填体夯实成形分析模型，由充填体临界地基系数kg临界确定了夯实参数，包括充填体夯实成形密度ρ为1.71t/m3，采煤高度h＝2.8m，支架宽度k＝1.5m，充填步距d＝0.6m，充填体初始密实度ρ0＝1.35t/m3，自然安息角β＝42°，堆料高度hd＝1.82m，夯实次数n＝5(夯实角变化范围为3.0～29.6°)；设计岩层位态控制效果监测方案，采用GUD500顶板动态监测仪监测得到顶板动态下沉量he＝0.202mm，计算得出实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000258
实测动态充实率
Figure BDA0001692621060000259
大于第1层发生破断时的临界充实率
Figure BDA00016926210600002510
说明对应的岩层未发生破断。维持原来的充填工艺与充填材料参数，即可实现岩层位态精准控制。

Claims (1)

1.一种充填开采岩层位态精准控制设计方法，其特征是，具体步骤包括：
A、由充填开采目的确定控制对象；
B、由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；
C、由岩层位态精准控制要求解算临界充实率；
D、由临界充实率确定充填体临界地基系数；
E、由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数；
F、根据夯实工艺参数实施充填开采工艺；
G、设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测；
H、由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度；
I、反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数；
J、实现充填开采岩层位态精准控制；
所述的步骤A根据充填开采目的确定控制对象，步骤B由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；控制充实率
Figure FDA0002891909140000011
实现不同的充填开采目的；充实率
Figure FDA0002891909140000012
越高，岩层控制的效果越好；计算得出不同充填开采目的的临界充实率
Figure FDA0002891909140000013
保证
Figure FDA0002891909140000014
实现岩层位态的精准控制；
充填开采目的包括：建筑物或构筑物下充填采煤、坚硬顶板下采煤、水体下保水充填采煤、充填防治冲击矿压、充填处理固体废弃物、充填回收房式煤柱，所述的处理固体废弃物为井下矸石不升井；不同的充填开采目的下，对充实率
Figure FDA0002891909140000015
的要求不一而足，所述的充实率
Figure FDA0002891909140000016
是表征充填密实程度；
针对建筑物或构筑物下开采：根据不同压煤类型和覆岩结构开采后岩层运动的设防指标，得到一个地面建筑物能承受的极限开采厚度hmax，固体充填采煤的等价采高he必须满足he≤hmax，以h表示采高，充实率
Figure FDA0002891909140000017
与采高的关系为：
Figure FDA0002891909140000018
在建筑物或构筑物下进行充填开采保证充实率
Figure FDA0002891909140000019
针对房式煤柱回收开采：采用充填开采保证采场顶板稳定；较高的充实率
Figure FDA00028919091400000110
能够降低煤柱承受的载荷p，保证煤柱的强度大于其所受载荷，煤柱就能够保持稳定；控制充实率满足
Figure FDA00028919091400000111
即充实率为
Figure FDA00028919091400000112
条件下对应煤柱承受的载荷
Figure FDA00028919091400000113
小于等于煤柱的极限承载能力σp，以实现房式煤柱安全回收；较高的充实率
Figure FDA00028919091400000114
充填体具有较高的强度，当充填体强度Q满足顶板来压所需的支护强度时顶板就能够保持稳定；控制充实率满足
Figure FDA00028919091400000115
即充实率为
Figure FDA00028919091400000116
条件下对应充填体强度
Figure FDA00028919091400000117
大于等于顶板来压所需的支护强度Q0，实现房式煤柱回收过程中顶板保持稳定；
其中：
Figure FDA00028919091400000118
控制充实率满足
Figure FDA00028919091400000119
即充实率为
Figure FDA00028919091400000120
条件下对应充填体强度
Figure FDA00028919091400000121
大于等于顶板来压所需的支护强度Q0；
针对坚硬顶板下开采：运用能量法原理，坚硬顶板下沉值越大其内部积聚的弹性冲击能E越大，充填体吸收能量小于临界弹性冲击能时会产生动力灾害；较高的充实率
Figure FDA00028919091400000122
能有效抑制坚硬顶板的变形，降低煤岩体的弹性冲击能E；保证
Figure FDA00028919091400000123
即充实率为
Figure FDA00028919091400000124
条件下对应顶板弹性冲击能
Figure FDA0002891909140000021
小于等于顶板破断前临界弹性冲击能E0，实现坚硬顶板下精准开采；
针对水体下、承压水上保水开采：充填开采可以减小导水裂隙带的发育范围，充实率增加，抑制顶板下沉，由采动产生的导水裂隙带发育高度和深度都会减小；根据导水裂隙带发育范围与充实率
Figure FDA0002891909140000022
的关系，设计充实率满足
Figure FDA0002891909140000023
即充实率为
Figure FDA0002891909140000024
条件下对应的导水裂隙带发育高度
Figure FDA0002891909140000025
小于等于开采要求控制的导水裂隙带发育高度H0，充实率为
Figure FDA0002891909140000026
条件下对应的导水裂隙带发育深度
Figure FDA0002891909140000027
小于等于开采要求控制的导水裂隙带发育深度D0；
针对矸石井下回填：采用充填开采处理废弃矸石，需要保证
Figure FDA0002891909140000028
即充实率为
Figure FDA0002891909140000029
条件下对应矸石充填能力
Figure FDA00028919091400000210
大于等于矿井要求的矸石处理能力T0，求得满足矸石处理产量所需的临界充实率
Figure FDA00028919091400000211
在进行充填过程中保证
Figure FDA00028919091400000212
即可满足矸石处理的要求；
所述的步骤C解算岩层破断的临界充实率，具体为：
(1)临界充实率的分类
按照岩层位态分类，临界充实率
Figure FDA00028919091400000213
具体包括：关键层破坏临界充实率、关键层弯曲下沉临界充实率、基本顶弯曲下沉临界充实率、整体弯曲下沉临界充实率；
按照充填目的分类，临界充实率
Figure FDA00028919091400000214
可分为：建筑物或构筑物下开采临界充实率、房式煤柱回收临界充实率、保水开采临界充实率、矸石井下回填临界充实率；
(2)临界充实率求解
(a)建筑物或构筑物下开采临界充实率求解
临界充实率
Figure FDA00028919091400000215
的求解步骤为：控制对象分析→控制的关键岩层层位判断→确定临界充实率
Figure FDA00028919091400000216
的控制值→确定覆岩控制指标→覆岩离层及破断判别→临界充实率
Figure FDA00028919091400000217
解算；
(b)房式煤柱回收临界充实率求解
确定固体充填房式煤柱区域弹性地基系数→建立固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型→固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型求解；
(c)保水开采临界充实率求解
收集地质资料→取岩样并通过试验获取煤岩体物理力学参数→利用有限元分析软件建立固体充填采煤数值计算模型→模拟采高、充实率与导水裂隙带发育范围的关系→得出导水裂隙带发育范围公式，求得保水开采临界充实率
Figure FDA00028919091400000218
(d)矸石井下回填临界充实率求解
由矸石井下回填临界充实率公式
Figure FDA00028919091400000219
求解，公式中各项参数由实验或现场调研获得；式中，T0表示矸石处理量，d表示充填步距，h表示采高，L表示工作面长度，ρ表示充填体压实成形密度；
所述的步骤D由临界充实率确定充填体临界地基系数，具体为：
采场上覆1～n层岩层对第一层岩层的总荷载(qn)1为：
Figure FDA0002891909140000031
式中，Eo、En、Ei、ho、hn、hi、γi分别表示采场上覆第o、n、i层岩层的弹性模量、厚度、容重；情况1：采场上覆第1～o-1层岩层先破断，o～n层岩层同步破断，其中第o层岩层为控制第n层岩层破断的关键层，且当o＝1时式中无第二项
Figure FDA0002891909140000032
情况2：采场上覆第1～n-1层岩层先破断，第n层岩层为关键层；
充实率
Figure FDA0002891909140000033
和地基系数kg的关系：
Figure FDA0002891909140000034
式中，σ为应力；ε为应变；ω为顶板挠度；E为单轴压缩试验得出的弹性模量；h为采高；
Figure FDA0002891909140000035
为充实率；Δ为顶板最终下沉量；σ0为原岩应力，此处取(qn)1，其表示采场上覆1～n层岩层对第1层岩层的总载荷；代入岩层破断时的临界充实率
Figure FDA0002891909140000036
和(qn)1，得出充填体所需的临界地基系数kg临界；
所述步骤E由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数，其具体步骤如下：
(a)建立夯实成形基本分析模型；
(b)确定充填工艺基本参数，包括：充填体初始密度ρ0、采煤高度h、充填步距d，支架宽度k；
(c)确定充填液压支架基本类型；
(d)确定充填体夯实成形密度影响因素及其取值范围；所述的密度影响因素包括：堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh；
(e)借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件，按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型；
(f)利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，导出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角β和夯实次数n曲线，所述的夯实次数n由夯实角α的范围决定；
(g)利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件对不同影响因素进行多元回归拟合，得到夯实作用总体积V总累积的表达式；
(h)得出充填体夯实成形时密度与夯实工艺参数的表达式，确定夯实工艺参数堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n和夯实力σh；
所述的步骤E中的步骤(a)，夯实成形基本分析模型的建立，其具体步骤如下：
a、确定充填体夯实成形体积V：充填体夯实成形体积V由采煤高度h、充填步距d，支架宽度k决定，即：
V＝h·d·k (3)
b、确定夯实作用总体积V总累积：夯实作用总体积V总累积为单次夯实作用体积Vi累积总和，即：
Figure FDA0002891909140000041
c、根据夯实成形前后质量守恒，即：
ρ0·V总累积＝ρ·V (5)
d、求解充填体成形时的密度ρ，即
Figure FDA0002891909140000042
所述的步骤E中的步骤(c)：充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反四连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架；液压支架的架型选择由地质条件和采煤工艺确定；
所述的步骤E中的步骤(d)：充填体成形密度主要影响因素包括堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σh，其取值依据具体如下：
a、根据充填工艺的总结与现场经验，堆料高度hd与采高h的关系为：
hd＝k0(h-g) (7)
式中：k0为堆料系数，一般取0.6～0.9；g表示多孔底卸式输送机的悬挂高度，由架型确定；
b、自然安息角β由所选择的充填体自身决定，根据充填工艺的总结与现场经验取值范围为34～60°；
c、夯实次数n由设计充实率确定，其对应第i次对充填体实施夯实时的夯实角αi与夯实次数n的关系为：
Figure FDA0002891909140000043
式中，αmin为最小夯实角，αmax为最大夯实角，αmin由充填液压支架的结构干涉决定，αmax由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定；
d、定义充填系数κ，表示充填体夯实成形前后体积比值，即：
Figure FDA0002891909140000044
充填物料在夯实过程中的应变为：
Figure FDA0002891909140000051
而在充填体压实成形过程中，应变与夯实力σh的关系为：
ε＝f(σh) (11)
式中ε＝f(σh)表示在一定相关系数条件下充填物料压实过程中的应力应变函数关系；由式(10)、(11)可知：充填系数表征夯实机构压实充填物料的能力，即不同的夯实力σh决定不同的夯实系数；
进一步联立式(9)～(11)，得到：
Figure FDA0002891909140000052
由式(12)可知：在堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，夯实作用总体积V总累积由夯实力σh决定，其中ε＝f(σh)由修正的充填体应力应变压实曲线得出；
联立式(12)与(6)，得到在堆料高度hd、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，充填体压实成形密度ρ与夯实力σh的关系为：
Figure FDA0002891909140000053
由临界地基系数kg临界确定充填体压实成形密度ρ，代入式(13)求出夯实力σh；
所述的步骤E中的步骤(e)，其具体包括：
运用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件构建采煤液压支架的实体模型，具体采用Top-Down的建模理念，首先在顶层定义关键结构位置信息，然后把这些信息传递到下层子结构中，从概念开始逐步演变为一个由零件和子组件构成的整体机构，零件建模严格按照设计图纸的尺寸进行，将建立的零件模型按照彼此之间的约束关系进行装配；
其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆尺寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸；充填体尺寸包括堆料高度hd、自然安息角度β；
所述的步骤E中的步骤(f)：利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，通过上述软件的运动仿真模块分别导出夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n曲线；
所述步骤E中的步骤(g)，按照如下步骤进行：
a、选取拟合函数可能形式中的一种；
b、利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件，拟合夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角度β和夯实次数n函数式；
c、如果相关系数R2>0.95，则给出函数表达式V总累积＝f(hd,β,n)，否则重新执行a～c；
所述步骤E中的步骤(h)：将拟合夯实作用总体积V总累积与堆料高度hd、自然安息角β和夯实次数n函数式带式(6)，得到
Figure FDA0002891909140000061
由以上分析可知，式(14)中，
Figure FDA0002891909140000062
为夯实次数1～n的夯实作用总体积，与V总累积含义相同；采煤高度h、充填步距d在具体的矿井中都是已知量；支架宽度k，堆料高度hd针对选定的某种支架来说也是固定的；充填体自然安息角β是充填物料本身决定的；代入以上已知参数至式(14)可以确定充填开采的夯实次数n，由式(13)可以确定夯实力大小，至此夯实工艺参数都已经确定；
所述的步骤F根据夯实工艺参数实施充填开采工艺，具体为：
在工作面布置所选充填液压支架，设定液压支架夯实机构的夯实力σh，进行充填；当前一个卸料孔卸料到堆料高度hd时，即开启下一个卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填物料进行夯实，夯实次数为步骤E中的步骤(h)中确定的n；当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将多孔底卸式输送机拉移一个步距d，移至支架后顶梁前部，用夯实机构把多孔底卸式输送机下面的充填料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对多孔底卸式输送机的机头进行充填；第一轮充填完成后将多孔底卸式输送机推移一个步距至支架后顶梁后部，开始第2轮充填，合理循环以上步骤直至实现整个工作面的充填；
所述的步骤G设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测，具体为：
沿工作面推进方向，在充填体内垂直安装多排顶板动态监测仪，实时动态监测不同位置顶板动态下沉量he；监测仪上部紧密接触顶板，底座紧密接触底板；与此同时，紧临顶板动态监测仪安装位置处安装充填体应力仪，实时动态监测充填体应力σc变化；充填体应力仪的布置参数与顶板动态仪设置相同：具体是在工作面自切眼推进到不同位置时，在工作面长度方向上按等间距布置一组x台充填体应力监测仪及顶板动态监测仪进行实时顶板动态监测；
所述的步骤H由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度，具体为：
此处定义动态充实率
Figure FDA0002891909140000063
的表达式为
Figure FDA0002891909140000064
其中h表示采高，he表示顶板动态下沉量，将步骤F中监测得出的顶板动态下沉量he和采高h代入动态充实率表达式，计算得出实测动态充实率
Figure FDA0002891909140000065
当
Figure FDA0002891909140000066
小于步骤C中得出的临界充实率
Figure FDA0002891909140000067
对应的岩层发生了破断；当
Figure FDA0002891909140000068
大于临界充实率
Figure FDA0002891909140000069
对应的岩层未发生破断；
设计合理的充实率
Figure FDA00028919091400000610
满足各种充填目的下岩层位态的控制要求，利用实测的顶板动态下沉值求解动态充实率
Figure FDA00028919091400000611
并与临界充实率
Figure FDA00028919091400000612
进行比较，即可判断岩层位态的精准控制程度；同时监测充填体应力σc，充填体应力σc用于判断充填体压实状态，从而判断岩层是否达到或接近稳定状态；
当需要进一步提高实测反馈的准确性时，针对不同充填目的实施辅助性监测，具体如下：建筑物或构筑物下开采，监测地表建筑物或构筑物的变形等级；房式煤柱回收开采，在煤柱中埋设钻孔应力仪，观测工作面推进过程中的煤柱内部应力增长趋势，在超前液压支架和单体支柱上安装工作阻力监测仪，安排人员实时观测煤柱的变形、垮落、片帮情况；保水开采，采用钻探和物探仪器进行监测导水裂隙带发育范围；矸石井下回填，在运矸带式输送机上安装皮带称监测某一时间段工作面的充填物料消耗量，同时记录对应时间内工作面支架的前移距离；矸石回填量的监测以工作面支架前移一次的距离并完成充填作业作为单位计算周期；
所述的步骤I反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数，具体为：
综合考虑动态充实率
Figure FDA0002891909140000071
和辅助性监测方法分析结果，反馈调节夯实力σh、夯实次数n、堆料高度hd、充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure FDA0002891909140000072
反馈调节方法如下：
动态充实率
Figure FDA0002891909140000073
小于设计需要的临界充实率
Figure FDA0002891909140000074
时，加大夯实力σh、增加夯实次数n、增加堆料高度hd或者增大充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure FDA0002891909140000075
仅微大于即1.05倍以内设计需要的临界充实率
Figure FDA0002891909140000076
时，维持原设计的夯实工艺参数和充填体地基系数kg；
动态充实率
Figure FDA0002891909140000077
显著大于即1.05倍以上设计需要的临界充实率
Figure FDA0002891909140000078
时，为了提高充填开采速度并降低充填成本，减少夯实次数n、减小堆料高度hd或者调整充填体地基系数kg；
辅助性监测反馈调节方法如下：
适当加大夯实力σh、增加夯实次数n、增加堆料高度hd或者增大充填体地基系数kg的情况如下：建筑物或构筑物下开采，地表建筑物或构筑物变形大小有超过允许等级的趋势；房式煤柱回收开采，出现压力计压力值、工作阻力突然增大、煤柱片帮情况，立刻停止工作面作业，检查原因，增加超前区域的支护强度、通过注浆加固房式煤柱；保水开采，采用钻探和物探仪器监测出的导水裂隙带发育范围过大，有导通水源的危险的情况下；矸石井下回填，监测得出的每循环矸石回填量小于预计回填量；
反之，适当减小夯实力σh、减小夯实次数n、减小堆料高度hd或者减小充填体地基系数kg；
所述的步骤J实现充填开采岩层位态精准控制，具体为：
基于充填开采工程背景，明确充填采场实施岩层位态精准控制的控制要求、主控因素，针对性给定岩层位态“精准控制”的临界条件；通过充实率的精准设计、充填体地基系数的确定、夯实工艺参数确定和实施、充填效果实时监测、精准控制状态判别、工艺与参数动态反馈七个环节，实现岩层位态精准控制，同时形成充填开采岩层位态精准控制设计方法。
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Zhang et al. Experimental study on the stability of surrounding soft rocks of gob-side entry retaining in fully mechanized caving

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