[发明专利]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

权利要求书

1.一种煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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：

其中，E为单轴抗压强度；为充实率；h为实际采高；h_t为顶板提前下沉量；h_q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；

单轴抗压强度E对压缩率η的函数表达式为η＝f(E)＝aE^b，a、b为常数，由所述拟合曲线回归方程得出；

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：

其中，h_k为充填体最终压缩量，h_k＝η(h-h_t-h_q)；

所述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是指，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。

2.根据权利要求1所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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。

3.根据权利要求1所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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。

4.根据权利要求3所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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。

5.根据权利要求3或4所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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。

6.根据权利要求5所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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。

7.根据权利要求5所述的煤矿充实率导向的胶结充填体强度需求表征方法，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：

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。