[发明专利]多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法

说明书

本发明公开了多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，涉及煤矿开采技术领域；该方法通过依次建立充填材料蠕变本构模型、充填块体承载力学模型和充填采场突变数学模型，将充填材料从研制至承载全过程进行模型量化，实现其长期力学性能的量化表征；该方法可解决现有经验公式适用范围小的局限性，为工业固废综合利用及采充时机的把控提供依据，可适用于“三下”煤层安全开采、含水层原位保护开采、工业固废充填开采、开拓巷道保护煤柱回收等煤矿绿色开采领域。

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法。

背景技术

目前，在煤炭开采领域，一些学者针对矸石、粉煤灰、砂土及城市固体垃圾共混利用方面进行了研究，研制了膏体充填材料和胶结充填材料，分析了温度、酸性腐蚀等外界因素对充填体力学强度的影响规律。但对充填材料承载稳定性的评价等方面还以经验公式为主，特别是针对工业固废充填材料长期力学性能的研究，相关技术水平与研究方法还不够完善。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，能够将充填材料从研制至承载全过程进行模型量化，实现长期力学性能表征，为工业固废综合利用及采充时机的把控提供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供多元化工业固废充填材料长期力学性能模型表征方法，包括如下步骤：

(1)取配多元化工业固废充填浆料浇筑到模具中，制备期龄分别为3天、7天及28天，规格为Φ50mm×100mm的圆柱形充填材料试样；利用岩石力学性能测试设备获取试样常规三轴应力应变曲线和分级蠕变曲线；

(2)以步骤(1)中的试验结果为主要依据，设定能够描述充填材料加速蠕变阶段的流变元件，构建能够表征充填材料瞬时变形、减速蠕变、等速蠕变及加速蠕变全过程的蠕变本构模型，并进行模型参量识别；

(3)结合工作面矿压显现特点，研究煤层顶底板对充填体的夹持力学作用机理，分析充填体压缩变形的边界条件，构建充填体承载力学模型，阐述充填体承载压缩特性；

(4)基于对充填体压缩变形过程中，覆岩与充填体能量转化特征的研究，结合突变理论，建立充填体破坏失稳的突变数学模型，给出充填体破坏失稳的临界变形量，得到充填体稳定承载的判别标准；

(5)将步骤(2)至步骤(4)中的三个模型组成整体，构成多元化工业固废充填材料长期力学性能表征模型，依次利用本构模型提供充填体力学属性，利用力学模型提供充填体边界条件，利用数学模型评判充填体承载效果。

优选地，步骤(2)中，充填材料加速蠕变元件的设定需考虑初始损伤效应的影响，并将其设置为一种非线性塑性损伤元件即NPDM，NPDM的塑性损伤单元由损伤部分与未损伤部分构成，其中损伤部分由初始损伤与蠕变损伤构成，考虑初始损伤效应的NPDM蠕变方程为：

式中，E_N为NPDM弹性模量，GPa；σ_s为屈服应力，Mpa；σ_ds为偏应力，即σ_ds＝σ₁-σ₃，Mpa；D₀为蠕变前的初始损伤；r为常数，由充填材料属性决定。

优选地，步骤(2)中构建蠕变本构模型时，采用Hook体、Kelvin体、Bingham体及NPDM串联的方式，并将所述流变元件中包含的Newton体替换为Abel黏壶，建立充填材料非线性分数阶蠕变本构模型，其蠕变方程为：