CN109117585A - 一种固体充填材料内部应力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)采集固体充填材料应力数据，对固体充填材料的应力应变关系进行拟合；步骤2)基于等价采高理论和概率积分法对固体充填区域地表下沉量进行计算；步骤3)计算固体充填采煤情况下区域裂隙带的膨胀高度；步骤4)结合步骤2)和3)，计算固体充填材料内部距离采场后方L处的应变；步骤5)计算工作面后方距离L处固体充填材料内部应力。本发明所达到的有益效果：本方法提供一种固体充填采煤充填体应力计算方法。本方法简单实用，可用于推算固体充填开采围岩应力分布，指导充填开采支护设计，丰富充填开采矿压理论体系，具有重要的意义。

Description

一种固体充填材料内部应力确定方法

技术领域

本发明涉及一种固体充填材料内部应力确定方法。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国家，随着煤炭的高强度开采，我国煤炭开采逐渐进入枯竭期，尤其是我国东部地区，正面临着“三下”煤炭开采的难题。充填开采可以实现“三下”煤炭资源的安全开采，是一种绿色的低环境损伤的开采方法。

虽然煤炭充填开采经过几十年的发展其技术和理论已经相对丰富，但是目前针对固体充填开采采空区充填体应力的计算方法研究较少。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种固体充填材料内部应力确定方法，可用于指导充填开采支护设计，丰富煤矿充填开采矿压理论体系，具有十分重要的意义。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1)采集固体充填材料应力数据，对固体充填材料的应力应变关系进行拟合；

步骤2)基于等价采高理论和概率积分法对固体充填区域地表下沉量进行计算；

步骤3)计算固体充填采煤情况下区域裂隙带的膨胀高度；

步骤4)结合步骤2)和3)，计算固体充填材料内部距离采场后方L处的应变；

步骤5)计算工作面后方距离L处固体充填材料内部应力。

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤1)中的具体内容为：

通过固体充填材料压实试验采集压实过程中的位移、力、压实系统的各项参数数据，拟合固体充填材料应力与应变的关系。

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述应力和应变的关系式为：式中，σ_v表示固体充填材料内部垂直应力；ε_v表示固体充填材料垂直方向应变；a、b表示常数系数。

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤2)中固体充填区域地表下沉量的具体计算过程为：

等价采高M_e＝M_t+M_c，式中，M_t表示顶板提前下沉量；M_c表示充填体压缩量；

固体充填区域地表下沉量式中，W_m表示地表最大下沉值；r表示地表沉陷影响范围；表示误差函数，其中误差函数的计算公式为：

地表最大下沉值公式为W_m＝qM_ecosα，其中q表示下沉系数，α表示煤层倾角；地表沉陷影响范围的公式为r＝H/tanβ，其中H表示埋深，β表示主要影响角。

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤3)的膨胀高度利用充填开采等价采高原理结合垮落法开采时裂隙带发育高度求得或采用物理相似模拟试验确定。

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，利用充填开采等价采高原理结合垮落法开采时裂隙带发育高度求得膨胀高度时：

采用垮落法开采时裂隙带发育高度按照以下经验公式求得：式中，c、d表示根据顶板岩性确定的系数；

利用充填开采等价采高原理结合上述发育高度得出固体充填采煤情况下裂隙带发育高度公式；

裂隙带在形成过程中会出现体积膨胀现象，假设裂隙带膨胀系数为k，则竖直方向膨胀高度

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，利用充填开采等价采高原理结合垮落法开采时裂隙带发育高度求得膨胀高度时：顶板岩性确定的系数c、d的选择如下表：

。

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤4)的具体内容为：

固体充填材料在工作面后方距离为L时的压缩变形量S_L为：S_L＝W_L+S_f，式中，W_L表示工作面后方距离L时，地表的下沉量；S_f表示工作面后方距离L时，裂隙带竖直方向膨胀高度；

工作面后方距离L处固体充填材料应变则固体充填材料距离采场后方L处的应变为：

前述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤5)的具体内容为：

充填体垂直应力通过将固体充填材料距离采场后方L处的应变公式代入固体充填材料压实试验应力应变拟合公式：

结合等价采高计算公式，求得工作面后方距离L处固体充填材料内部应力：

本发明所达到的有益效果：本方法提供一种固体充填采煤充填体应力计算方法。本方法简单实用，可用于推算固体充填开采围岩应力分布，指导充填开采支护设计，丰富充填开采矿压理论体系，具有重要的意义。

附图说明

图1是固体充填材料应力计算步骤图；

图2是固体充填材料变形示意图；

图3是充填区域固体充填材料裂隙带发育高度图；

图4是固体充填材料应力应变图；

图5是监测设备布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的具体实施步骤如下：

A、固体充填材料应力应变关系拟合；B、固体充填区域地表下沉量计算；C、固体充填区域裂隙带膨胀高度计算；D、固体充填材料内部应变计算；E、固体充填材料内部应力计算。

实施例背景：某矿CT120工作面，属于村庄下开采，采用矿井地面堆积矸石进行固体充填开采。工作面所在煤层埋深390m，盘区倾向长度115m，走向长度410m，煤层平均厚度3.3m，倾角为4°。直接顶为平均厚度5.1m的页岩，基本顶是平均厚度33m的砂岩，底板是平均厚度14.8m的泥岩。

所述步骤1)固体充填材料应力应变关系拟合，具体为：

该矿充填材料采用粒径小于50mm的矸石材料，因此试验试样直接取矿井所用充填材料，每组取5kg矸石充填材料，分三组，利用压实机系统进行压实，记录压力与位移曲线，导出后，运用Matlab软件拟合所得数据求出矸石充填材料应力应变关系。

所述步骤2)-3)，固体充填区域地表下沉量和裂隙带膨胀高度计算，具体为：

覆岩为中等强度，其体积模量为25kN/m³。自重应力约为9.8MPa。在开采过程中平均的顶板提前下沉量为80mm。应用基于等价采高原理的概率积分法可以求得工作面对应地表的下沉值。其中，地表下沉系数取0.73，主要影响角正切值取1.8。充填体变形示意图如图2所示，裂隙带膨胀系数通过相似模拟试验获得，具体参数见图3。

所述步骤4)-5)，固体充填材料内部应变和应力计算，具体为：

工作面推进过程中，充填体应力可以通过将以上参数代入公式中来获得，应力随工作面推进距离的关系如图4。

最后通过现场应力监测反馈，由该矿实测结果可知，上述计算结果与实测数据基本吻合，可以用来预测充填体压充分压实状态下的应力情况。监测设备布置示意图见图5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1)采集固体充填材料应力数据，对固体充填材料的应力应变关系进行拟合；

步骤2)基于等价采高理论和概率积分法对固体充填区域地表下沉量进行计算；

步骤3)计算固体充填采煤情况下区域裂隙带的膨胀高度；

步骤4)结合步骤2)和3)，计算固体充填材料内部距离采场后方L处的应变；

步骤5)计算工作面后方距离L处固体充填材料内部应力。

2.根据权利要求1所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤1)中的具体内容为：

通过固体充填材料压实试验采集压实过程中的位移、力、压实系统的各项参数数据，拟合固体充填材料应力与应变的关系。

3.根据权利要求2所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述应力和应变的关系式为：式中，σ_v表示固体充填材料内部垂直应力；ε_v表示固体充填材料垂直方向应变；a、b表示常数系数。

4.根据权利要求1所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤2)中固体充填区域地表下沉量的具体计算过程为：

等价采高M_e＝M_t+M_c，式中，M_t表示顶板提前下沉量；M_c表示充填体压缩量；

固体充填区域地表下沉量式中，W_m表示地表最大下沉值；r表示地表沉陷影响范围；表示误差函数，其中误差函数的计算公式为：

地表最大下沉值公式为W_m＝qM_ecosα，其中q表示下沉系数，α表示煤层倾角；地表沉陷影响范围的公式为r＝H/tanβ，其中H表示埋深，β表示主要影响角。

5.根据权利要求1所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤3)的膨胀高度利用充填开采等价采高原理结合垮落法开采时裂隙带发育高度求得或采用物理相似模拟试验确定。

6.根据权利要求5所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，利用充填开采等价采高原理结合垮落法开采时裂隙带发育高度求得膨胀高度时：

采用垮落法开采时裂隙带发育高度按照以下经验公式求得：式中，c、d表示根据顶板岩性确定的系数；

利用充填开采等价采高原理结合上述发育高度得出固体充填采煤情况下裂隙带发育高度公式；

裂隙带在形成过程中会出现体积膨胀现象，假设裂隙带膨胀系数为k，则竖直方向膨胀高度

7.根据权利要求6所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，利用充填开采等价采高原理结合垮落法开采时裂隙带发育高度求得膨胀高度时：顶板岩性确定的系数c、d的选择如下表：

。

8.根据权利要求1所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤4)的具体内容为：

固体充填材料在工作面后方距离为L时的压缩变形量S_L为：S_L＝W_L+S_f，式中，W_L表示工作面后方距离L时，地表的下沉量；S_f表示工作面后方距离L时，裂隙带竖直方向膨胀高度；

工作面后方距离L处固体充填材料应变则固体充填材料距离采场后方L处的应变为：

9.根据权利要求8所述的一种固体充填材料内部应力确定方法，其特征是，所述步骤5)的具体内容为：

充填体垂直应力通过将固体充填材料距离采场后方L处的应变公式代入固体充填材料压实试验应力应变拟合公式：

结合等价采高计算公式，求得工作面后方距离L处固体充填材料内部应力：