[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

说明书

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。

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：

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。

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)＝aE^b，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：

其中，h_k为充填体最终压缩量，h_k＝η(h-h_t-h_q)。