CN112948991A - 一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计方法 - Google Patents

一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计方法，提出以采空区充实率作为控制目标，通过胶结充填体强度指标与采空区充实率的关系得出满足充实率控制要求时充填材料所需的单轴抗压强度指标。该方法以充填开采控制岩层移动的核心因素充实率为目标导向，利用充填体的单轴抗压强度指标直接反应工程应用中对充填体的性能需求。通过充填体强度需求设计，可以避免充填体强度不足无法达到充实率控制目标，或充填体强度过高造成强度浪费的现象。该充填体强度需求设计方法科学系统、指标简单、实用性强，具有重要的工程意义和推广应用价值。

Description

一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计 方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计方法，属于矿山充填开采科学研究领域。
背景技术
煤炭地下开采会导致覆岩破断、地表沉陷、地下水系破坏以及环境污染等一系列严重的问题，煤炭的科学开采面临着巨大的挑战。充填开采作为一种绿色开采技术，是煤炭科学开采的重要技术手段之一。胶结充填是煤矿充填开采技术的一个重要分支，该技术将胶结材料充入采空区支撑围岩，减少采矿对上覆岩层的扰动，提高资源回收率，并且减少废弃物在地表的排放，降低环境污染，在中国、澳大利亚、加拿大等国家乃至世界范围内得到广泛应用。
现阶段工程中一般用胶结充填体的单轴抗压强度衡量充填材料的性能，但是关于胶结充填体强度需求设计却没有形成一套完整科学的方法。单轴抗压强度(uniaxialcompressive strength，简称为E)是指岩石试件在单向受压至破坏时，单位面积上所能承受的荷载，简称抗压强度。目前煤矿充填体强度需求设计的经验大多来源于金属矿山，而金属矿山的充填体强度需求设计重点关注由采矿工艺决定的充填体柱和矿柱稳定性，并没有从岩层控制的角度出发进行充填体强度设计。因此，目前煤矿胶结充填体强度需求基本是基于经验进行设计，相似采场条件下的充填体强度差别很大，有的矿井充填体强度不足，造成岩层移动控制效果不好，有的矿井充填体强度过高，造成了严重的胶结材料浪费。
因此，研究一种能够实现以煤矿充填开采岩层控制为导向的胶结充填体强度需求设计方法已成为亟需解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计方法，能够系统地从煤矿充实率的角度对胶结充填体强度需求进行设计，并给出具有工程应用性的强度需求指标。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型，构成胶结充填体的胶结充填材料的单轴抗压强度E作为胶结充填体强度需求的指标，所述单轴抗压强度E满足以下条件：
Figure BDA0002920280060000021
其中，E为单轴抗压强度；
Figure BDA0002920280060000022
为充实率；h为实际采高；ht为顶板提前下沉量；hq为充填体欠顶量；η＝f(E)，为单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式，是由单轴抗压强度E对压缩率η的拟合曲线回归方程得到。
进一步的，单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式为η＝f(E)＝aEb，a、b为常数，由所述拟合曲线回归方程得出。
进一步的，所述充实率是垂直方向上充填体被压实后的最终高度与开采高度即实际采高h的比值，充实率的目标设定值根据充填开采岩层控制目标确定，其表达式：
Figure BDA0002920280060000023
其中，hk为充填体最终压缩量，hk＝η(h-ht-hq)。
对胶结充填材料进行若干组单轴抗压试验和侧限压实试验，分别得出胶结充填材料的单轴抗压强度E和压缩率η的结果；绘制单轴抗压强度E与压缩率η拟合曲线，得到单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式η＝f(E)；由η＝f(E)和充实率表达式得出
Figure BDA0002920280060000024
根据目标充实率，由数学表征模型得出对应的单轴抗压强度E，即为充填体强度需求指标。
进一步的，所述对胶结充填材料进行单轴抗压试验的方法为：无侧限条件下，对充填材料试样施加轴向压力，直至试样发生压缩破坏，压力机控制计算机导出测试试件的单轴抗压强度。
进一步的，所述的侧限压实试验通过压缩模具进行，所述压缩模具包括不锈钢筒、底座和压头，其中，中空贯穿的不锈钢筒的底部的直径大于上部的筒的直径，不锈钢筒的底部同轴固定在底座上，所述压头匹配压入所述不锈钢筒中，压头的高度小于不锈钢筒的筒的高度。
进一步的，所述底座在位于所述不锈钢筒的筒对应的上表面上，沿周向设置有若干小孔，用于排水；所述底座由上部底座、下部底座组成，其中，上部底座的直径大于下部底座的直径。
进一步的，所述底座与不锈钢筒的底部之间设置有一垫子，所述垫子为圆形土工布，不锈钢筒、垫子和底座固连。
进一步的，所述对胶结充填材料进行侧限压实试验的方法为：将养护好的试样装入压实钢筒，然后将压实钢筒固定于加载试验机上，通过压头对充填材料试样加载轴向压力至相应的应力，计算机记录加载过程中的压头所受的轴向压力F与轴向位移S；最后处理试验数据，得到充填材料的在原岩应力下的压缩率。
进一步的，所述的侧限压实试验中加载的应力上限为胶结充填体强度设计工作面的原岩应力σ0：
σ0＝γH
其中，γ为岩层平均容重；H为工作面埋深。
进一步的，所述的处理试验数据，按下列公式计算应力σ和压缩率η，得到充填材料的在对应的应力下的压缩率：
Figure BDA0002920280060000031
Figure BDA0002920280060000032
其中，A为压头的上部横截面积；h0为装入钢筒的试件高度。
有益效果：本发明提供的一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型及设计方法。本发明采用流变、力学、矿压等多学科交叉的手段，得出了胶结充填材料单轴抗压强度和充实率的数学表征模型，揭示胶结充填体强度对采空区充实率的影响作用机制，提出采空区充实率控制导胶结充填体强度需求设计方法，该方法为企业胶结充填采煤工作面充填体强度设计提供理论依据，使得充填体强度指标设计有据可循。并且能充实当前胶结充填体强度设计方法，为我国煤矿采空区胶结充填开采生产提供技术借鉴，该方法具有设计流程简单、指标简单、便于工程应用现场操作等优点。
附图说明
图1是本发明所述的充填体强度设计方法流程图。
图2是本发明胶结充填材料侧限压实试验采用的压实模具设计图，其中，(a)为主视图，(b)为俯视图。
图中：1、压头；2、不锈钢筒；3、垫子；4、底座。
图3是单轴抗压强度与充填材料压缩率拟合曲线。
具体实施方式
一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求设计方法，由胶结充填材料单轴抗压试验与胶结充填材料侧限压实试验得出胶结充填材料单轴抗压强度和充实率的数学表征模型；由数学表征模型得出充填体强度需求指标。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
本发明的胶结充填体强度需求设计流程如图1所述，具体设计步骤通过下述实施例进行说明。
本实例中，某煤矿煤层平均厚度4m，埋深400m。在工作面推进过程中，采用一次采全高即h＝4m，并测得顶板的提前下沉量ht约为0.1m。采空区胶结充填体欠顶量hq定为0.2m，煤矿要求采场充实率应
Figure BDA0002920280060000041
达到85％以上。单轴抗压强度E的设计具体步骤如下：
(1)确定充填原料为矸石，粉煤灰，水泥和生石灰。设计试验方案如下：
表1胶结充填材料力学性能试验配方(按重量份计)
Figure BDA0002920280060000042
将1～9号试件进行28天的养护并进行单轴抗压试验得到各自单轴抗压强度E，结果如表2所示。单轴抗压试验的方法见标准《岩石物理力学性质试验规程第18部分：岩石单轴抗压强度试验》。
(2)胶结充填材料侧限压实试验采用自制的压实模具，如图2(a)所示，制作模具为不锈钢筒(2)、底座(4)、压头(1)和垫子(3)组成；不锈钢筒(2)的上部分内径为52mm，高度为130mm，壁厚15mm；下部分内径为200mm，高度为10mm。制备的试样尺寸为圆柱体，高为100mm，直径为50mm。为了使试样在压缩过程中与压力机完全对齐，设计了试验专用的压头(1)，压头(1)上部分直径为82mm，高20mm；下部直径为50mm，高82m。底座(4)的上部直径为200mm，下部直径为100mm，底座(4)有四个贯穿小孔，利于排水。垫子(3)采用直径为200mm圆形土工布，夹在底座(4)与不锈钢筒(2)之间，防止压实过程中材料堵塞排水小孔。不锈钢筒(2)、底座(4)和土工布由4枚M16的螺栓连接。
(3)采用与单轴抗压试验相同的试验方案进行侧限压实试验，可知煤层埋深400m和岩层平均容重25kN/m3，通过σ0＝γH得出试验加载应力上限即胶结充填体强度设计工作面的原岩应力为10MPa，将养护好的充填材料试件放入与底座(4)固定的不锈钢筒(2)中，用直径为50mm的压头缓慢放入钢筒中，并将压实钢筒一起放在压力试验机上。先以0.1kN/s的力加载速率对充填材料试件加载至10MPa，记录加载过程中的压力F和位移S。由
Figure BDA0002920280060000051
处理记录的数据，取得每个试件达到10MPa应力加载条件下的压缩率。
(4)将所有试件的单轴抗压强度E与10MPa下的压缩率η通过相同试验方案进行对应，汇总并进行曲线拟合得出胶结充填材料单轴抗压强度E和压缩率η间的关系。如表2和图3所示。
表2胶结充填材料单轴抗压强度E和压缩率P间的关系
Figure BDA0002920280060000052
Figure BDA0002920280060000061
以单轴抗压强度E为横坐标，压缩率η为纵坐标拟合表中数据。可得单轴抗压强度E对充填材料压缩率η的函数表达式:η＝f(E)＝0.084E-0.15691。
(5)根据本实例煤矿条件，实际采高h为4m；顶板提前下沉量ht为0.1m；充填体欠顶量hq为0.2m；单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式为η＝f(E)＝0.084E-0.15691。由
Figure BDA0002920280060000062
得到胶结充填材料单轴抗压强度和充实率的数学表征模型为：
Figure BDA0002920280060000063
(6)将目标充实率
Figure BDA0002920280060000064
带入上述数学表征模型中，得出本矿井胶结充填体单轴抗压强度E的需求为1.26MPa，即设计的充填材料单轴抗压强度应不小于1.26MPa。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型，其特征在于，构成胶结充填体的胶结充填材料的单轴抗压强度E作为胶结充填体强度需求的指标，所述单轴抗压强度E满足以下条件：
Figure FDA0002920280050000011
其中，E为单轴抗压强度；
Figure FDA0002920280050000012
为充实率；h为实际采高；ht为顶板提前下沉量；hq为充填体欠顶量；η＝f(E)，为单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式，是由单轴抗压强度E对压缩率η的拟合曲线回归方程得到。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型，其特征在于，单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式为η＝f(E)＝aEb，a、b为常数，由所述拟合曲线回归方程得出。
3.根据权利要求1所述的胶结充填材料单轴抗压强度和充实率的数学表征模型，其特征在于，所述充实率
Figure FDA0002920280050000013
是垂直方向上充填体被压实后的最终高度与开采高度即实际采高h的比值，充实率的目标设定值根据充填开采岩层控制目标确定，其表达式：
Figure FDA0002920280050000014
其中，hk为充填体最终压缩量，hk＝η(h-ht-hq)。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，对胶结充填材料进行若干组单轴抗压试验和侧限压实试验，分别得出胶结充填材料的单轴抗压强度E和压缩率η的结果；绘制单轴抗压强度E与压缩率η拟合曲线，得到单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式η＝f(E)；由η＝f(E)和充实率表达式得出
Figure FDA0002920280050000015
根据目标充实率，由数学表征模型得出对应的单轴抗压强度E，即为充填体强度需求指标。
5.根据权利要求4所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，所述对胶结充填材料进行单轴抗压试验的方法为：无侧限条件下，对充填材料试样施加轴向压力，直至试样发生压缩破坏，通过计算机导出测试试样的单轴抗压强度。
6.根据权利要求4所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，所述的侧限压实试验通过压缩模具进行，所述压缩模具包括不锈钢筒(2)、底座(4)和压头(1)，其中，中空贯穿的不锈钢筒(2)的底部的直径大于上部的筒的直径，不锈钢筒(2)的底部同轴固定在底座(4)上，所述压头(1)匹配压入所述不锈钢筒(2)中，压头的高度小于不锈钢筒(2)的筒的高度。
7.根据权利要求6所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，所述底座(4)在位于所述不锈钢筒(2)的筒对应的上表面上，沿周向设置有若干小孔，用于排水；所述底座(4)由上部底座、下部底座组成，其中，上部底座的直径大于下部底座的直径；
所述底座(4)与不锈钢筒(2)的底部之间设置有一垫子(3)，所述垫子为圆形土工布，不锈钢筒(2)、垫子(3)和底座(4)固连。
8.根据权利要求6或7所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，所述对胶结充填材料进行侧限压实试验的方法为：将养护好的试样装入不锈钢筒(2)的压实钢筒内，然后将压实钢筒固定于加载试验机上，通过压头(1)对充填材料试样加载轴向压力至相应的应力，计算机记录加载过程中的压头所受的轴向压力F与轴向位移S；最后处理试验数据，得到充填材料的在不同应力下的压缩率。
9.根据权利要求8所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，所述的侧限压实试验中加载的应力上限为胶结充填体强度设计工作面的原岩应力σ0：
σ0＝γH
其中，γ为岩层平均容重；H为工作面埋深。
10.根据权利要求8所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征模型的设计方法，其特征在于，所述的处理试验数据，按下列公式计算应力σ和压缩率η，得到充填材料的在对应的应力下的压缩率：
Figure FDA0002920280050000021
Figure FDA0002920280050000031
其中，A为压头(1)的上部横截面积；h0为装入钢筒的试件高度。
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郭广礼 等: "深部带状充填开采复合承载体变形特征研究", 《采矿与安全工程学报》, no. 01, pages 1 - 6 *
陈洋 等: "深井特厚煤层充填开采防冲机理研究", 《采矿与安全工程学报》, no. 05, pages 1 - 5 *
陈磊 等: "充填体强度形成速率与工作面推进速度的关系", 《矿业科学学报》, no. 02, pages 1 - 5 *

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