[发明专利]一种充填开采岩层位态精准控制设计方法

权利要求书

1.一种充填开采岩层位态精准控制设计方法，其特征是，具体步骤包括：

A、由充填开采目的确定控制对象；

B、由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；

C、由岩层位态精准控制要求解算临界充实率；

D、由临界充实率确定充填体临界地基系数；

E、由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数；

F、根据夯实工艺参数实施充填开采工艺；

G、设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测；

H、由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度；

I、反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数；

J、实现充填开采岩层位态精准控制；

所述的步骤A根据充填开采目的确定控制对象，步骤B由控制对象控制要求确定岩层位态精准控制要求；控制充实率实现不同的充填开采目的；充实率越高，岩层控制的效果越好；计算得出不同充填开采目的的临界充实率保证实现岩层位态的精准控制；

充填开采目的包括：建筑物或构筑物下充填采煤、坚硬顶板下采煤、水体下保水充填采煤、充填防治冲击矿压、充填处理固体废弃物、充填回收房式煤柱，所述的处理固体废弃物为井下矸石不升井；不同的充填开采目的下，对充实率的要求不一而足，所述的充实率是表征充填密实程度；

针对建筑物或构筑物下开采：根据不同压煤类型和覆岩结构开采后岩层运动的设防指标，得到一个地面建筑物能承受的极限开采厚度h_max，固体充填采煤的等价采高h_e必须满足h_e≤h_max，以h表示采高，充实率与采高的关系为：在建筑物或构筑物下进行充填开采保证充实率

针对房式煤柱回收开采：采用充填开采保证采场顶板稳定；较高的充实率能够降低煤柱承受的载荷p，保证煤柱的强度大于其所受载荷，煤柱就能够保持稳定；控制充实率满足即充实率为条件下对应煤柱承受的载荷小于等于煤柱的极限承载能力σ_p，以实现房式煤柱安全回收；较高的充实率充填体具有较高的强度，当充填体强度Q满足顶板来压所需的支护强度时顶板就能够保持稳定；控制充实率满足即充实率为条件下对应充填体强度大于等于顶板来压所需的支护强度Q₀，实现房式煤柱回收过程中顶板保持稳定；

其中：控制充实率满足即充实率为条件下对应充填体强度大于等于顶板来压所需的支护强度Q₀；

针对坚硬顶板下开采：运用能量法原理，坚硬顶板下沉值越大其内部积聚的弹性冲击能E越大，充填体吸收能量小于临界弹性冲击能时会产生动力灾害；较高的充实率能有效抑制坚硬顶板的变形，降低煤岩体的弹性冲击能E；保证即充实率为条件下对应顶板弹性冲击能小于等于顶板破断前临界弹性冲击能E₀，实现坚硬顶板下精准开采；

针对水体下、承压水上保水开采：充填开采可以减小导水裂隙带的发育范围，充实率增加，抑制顶板下沉，由采动产生的导水裂隙带发育高度和深度都会减小；根据导水裂隙带发育范围与充实率的关系，设计充实率满足即充实率为条件下对应的导水裂隙带发育高度小于等于开采要求控制的导水裂隙带发育高度H₀，充实率为条件下对应的导水裂隙带发育深度小于等于开采要求控制的导水裂隙带发育深度D₀；

针对矸石井下回填：采用充填开采处理废弃矸石，需要保证即充实率为条件下对应矸石充填能力大于等于矿井要求的矸石处理能力T₀，求得满足矸石处理产量所需的临界充实率在进行充填过程中保证即可满足矸石处理的要求；

所述的步骤C解算岩层破断的临界充实率，具体为：

(1)临界充实率的分类

按照岩层位态分类，临界充实率具体包括：关键层破坏临界充实率、关键层弯曲下沉临界充实率、基本顶弯曲下沉临界充实率、整体弯曲下沉临界充实率；

按照充填目的分类，临界充实率可分为：建筑物或构筑物下开采临界充实率、房式煤柱回收临界充实率、保水开采临界充实率、矸石井下回填临界充实率；

(2)临界充实率求解

(a)建筑物或构筑物下开采临界充实率求解

临界充实率的求解步骤为：控制对象分析→控制的关键岩层层位判断→确定临界充实率的控制值→确定覆岩控制指标→覆岩离层及破断判别→临界充实率解算；

(b)房式煤柱回收临界充实率求解

确定固体充填房式煤柱区域弹性地基系数→建立固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型→固体充填房式煤柱回收采场力学分析模型求解；

(c)保水开采临界充实率求解

收集地质资料→取岩样并通过试验获取煤岩体物理力学参数→利用有限元分析软件建立固体充填采煤数值计算模型→模拟采高、充实率与导水裂隙带发育范围的关系→得出导水裂隙带发育范围公式，求得保水开采临界充实率

(d)矸石井下回填临界充实率求解

由矸石井下回填临界充实率公式求解，公式中各项参数由实验或现场调研获得；式中，T₀表示矸石处理量，d表示充填步距，h表示采高，L表示工作面长度，ρ表示充填体压实成形密度；

所述的步骤D由临界充实率确定充填体临界地基系数，具体为：

采场上覆1～n层岩层对第一层岩层的总荷载(q_n)₁为：

式中，E_o、E_n、E_i、h_o、h_n、h_i、γ_i分别表示采场上覆第o、n、i层岩层的弹性模量、厚度、容重；情况1：采场上覆第1～o-1层岩层先破断，o～n层岩层同步破断，其中第o层岩层为控制第n层岩层破断的关键层，且当o＝1时式中无第二项情况2：采场上覆第1～n-1层岩层先破断，第n层岩层为关键层；

充实率和地基系数k_g的关系：

式中，σ为应力；ε为应变；ω为顶板挠度；E为单轴压缩试验得出的弹性模量；h为采高；为充实率；Δ为顶板最终下沉量；σ₀为原岩应力，此处取(q_n)₁，其表示采场上覆1～n层岩层对第1层岩层的总载荷；代入岩层破断时的临界充实率和(q_n)₁，得出充填体所需的临界地基系数k_g临界；

所述步骤E由充填体临界地基系数确定精确的夯实工艺参数，其具体步骤如下：

(a)建立夯实成形基本分析模型；

(b)确定充填工艺基本参数，包括：充填体初始密度ρ₀、采煤高度h、充填步距d，支架宽度k；

(c)确定充填液压支架基本类型；

(d)确定充填体夯实成形密度影响因素及其取值范围；所述的密度影响因素包括：堆料高度h_d、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σ_h；

(e)借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件，按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型；

(f)利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，导出夯实作用总体积V_总累积与堆料高度h_d、自然安息角β和夯实次数n曲线，所述的夯实次数n由夯实角α的范围决定；

(g)利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件对不同影响因素进行多元回归拟合，得到夯实作用总体积V_总累积的表达式；

(h)得出充填体夯实成形时密度与夯实工艺参数的表达式，确定夯实工艺参数堆料高度h_d、自然安息角度β、夯实次数n和夯实力σ_h；

所述的步骤E中的步骤(a)，夯实成形基本分析模型的建立，其具体步骤如下：

a、确定充填体夯实成形体积V：充填体夯实成形体积V由采煤高度h、充填步距d，支架宽度k决定，即：

V＝h·d·k (3)

b、确定夯实作用总体积V_总累积：夯实作用总体积V_总累积为单次夯实作用体积V_i累积总和，即：

c、根据夯实成形前后质量守恒，即：

ρ₀·V_总累积＝ρ·V (5)

d、求解充填体成形时的密度ρ，即

所述的步骤E中的步骤(c)：充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反四连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架；液压支架的架型选择由地质条件和采煤工艺确定；

所述的步骤E中的步骤(d)：充填体成形密度主要影响因素包括堆料高度h_d、自然安息角度β、夯实次数n，夯实力σ_h，其取值依据具体如下：

a、根据充填工艺的总结与现场经验，堆料高度h_d与采高h的关系为：

h_d＝k₀(h-g) (7)

式中：k₀为堆料系数，一般取0.6～0.9；g表示多孔底卸式输送机的悬挂高度，由架型确定；

b、自然安息角β由所选择的充填体自身决定，根据充填工艺的总结与现场经验取值范围为34～60°；

c、夯实次数n由设计充实率确定，其对应第i次对充填体实施夯实时的夯实角α_i与夯实次数n的关系为：

式中，α_min为最小夯实角，α_max为最大夯实角，α_min由充填液压支架的结构干涉决定，α_max由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定；

d、定义充填系数κ，表示充填体夯实成形前后体积比值，即：

充填物料在夯实过程中的应变为：

而在充填体压实成形过程中，应变与夯实力σ_h的关系为：

ε＝f(σ_h) (11)

式中ε＝f(σ_h)表示在一定相关系数条件下充填物料压实过程中的应力应变函数关系；由式(10)、(11)可知：充填系数表征夯实机构压实充填物料的能力，即不同的夯实力σ_h决定不同的夯实系数；

进一步联立式(9)～(11)，得到：

由式(12)可知：在堆料高度h_d、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，夯实作用总体积V_总累积由夯实力σ_h决定，其中ε＝f(σ_h)由修正的充填体应力应变压实曲线得出；

联立式(12)与(6)，得到在堆料高度h_d、自然安息角度β、夯实次数n、充填体夯实成形体积V一定的条件下，充填体压实成形密度ρ与夯实力σ_h的关系为：

由临界地基系数k_g临界确定充填体压实成形密度ρ，代入式(13)求出夯实力σ_h；

所述的步骤E中的步骤(e)，其具体包括：

运用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件构建采煤液压支架的实体模型，具体采用Top-Down的建模理念，首先在顶层定义关键结构位置信息，然后把这些信息传递到下层子结构中，从概念开始逐步演变为一个由零件和子组件构成的整体机构，零件建模严格按照设计图纸的尺寸进行，将建立的零件模型按照彼此之间的约束关系进行装配；

其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆尺寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸；充填体尺寸包括堆料高度h_d、自然安息角度β；

所述的步骤E中的步骤(f)：利用Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计夯实工况，通过上述软件的运动仿真模块分别导出夯实作用总体积V_总累积与堆料高度h_d、自然安息角度β和夯实次数n曲线；

所述步骤E中的步骤(g)，按照如下步骤进行：

a、选取拟合函数可能形式中的一种；

b、利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件，拟合夯实作用总体积V_总累积与堆料高度h_d、自然安息角度β和夯实次数n函数式；

c、如果相关系数R²0.95，则给出函数表达式V_总累积＝f(h_d,β,n)，否则重新执行a～c；

所述步骤E中的步骤(h)：将拟合夯实作用总体积V_总累积与堆料高度h_d、自然安息角β和夯实次数n函数式带式(6)，得到

由以上分析可知，式(14)中，为夯实次数1～n的夯实作用总体积，与V_总累积含义相同；采煤高度h、充填步距d在具体的矿井中都是已知量；支架宽度k，堆料高度h_d针对选定的某种支架来说也是固定的；充填体自然安息角β是充填物料本身决定的；代入以上已知参数至式(14)可以确定充填开采的夯实次数n，由式(13)可以确定夯实力大小，至此夯实工艺参数都已经确定；

所述的步骤F根据夯实工艺参数实施充填开采工艺，具体为：

在工作面布置所选充填液压支架，设定液压支架夯实机构的夯实力σ_h，进行充填；当前一个卸料孔卸料到堆料高度h_d时，即开启下一个卸料孔，随即启动前一个卸料孔所在支架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充填物料进行夯实，夯实次数为步骤E中的步骤(h)中确定的n；当整个工作面全部充满，停止第一轮充填，将多孔底卸式输送机拉移一个步距d，移至支架后顶梁前部，用夯实机构把多孔底卸式输送机下面的充填料全部推到支架后上部，使其接顶并压实，最后关闭所有卸料孔，对多孔底卸式输送机的机头进行充填；第一轮充填完成后将多孔底卸式输送机推移一个步距至支架后顶梁后部，开始第2轮充填，合理循环以上步骤直至实现整个工作面的充填；

所述的步骤G设计岩层位态监测方法，实施岩层位态实时监测，具体为：

沿工作面推进方向，在充填体内垂直安装多排顶板动态监测仪，实时动态监测不同位置顶板动态下沉量h_e；监测仪上部紧密接触顶板，底座紧密接触底板；与此同时，紧临顶板动态监测仪安装位置处安装充填体应力仪，实时动态监测充填体应力σ_c变化；充填体应力仪的布置参数与顶板动态仪设置相同：具体是在工作面自切眼推进到不同位置时，在工作面长度方向上按等间距布置一组x台充填体应力监测仪及顶板动态监测仪进行实时顶板动态监测；

所述的步骤H由实测的顶板动态下沉值及辅助性监测措施判断岩层位态精准控制程度，具体为：

此处定义动态充实率的表达式为

其中h表示采高，h_e表示顶板动态下沉量，将步骤F中监测得出的顶板动态下沉量h_e和采高h代入动态充实率表达式，计算得出实测动态充实率当小于步骤C中得出的临界充实率对应的岩层发生了破断；当大于临界充实率对应的岩层未发生破断；

设计合理的充实率满足各种充填目的下岩层位态的控制要求，利用实测的顶板动态下沉值求解动态充实率并与临界充实率进行比较，即可判断岩层位态的精准控制程度；同时监测充填体应力σ_c，充填体应力σ_c用于判断充填体压实状态，从而判断岩层是否达到或接近稳定状态；

当需要进一步提高实测反馈的准确性时，针对不同充填目的实施辅助性监测，具体如下：建筑物或构筑物下开采，监测地表建筑物或构筑物的变形等级；房式煤柱回收开采，在煤柱中埋设钻孔应力仪，观测工作面推进过程中的煤柱内部应力增长趋势，在超前液压支架和单体支柱上安装工作阻力监测仪，安排人员实时观测煤柱的变形、垮落、片帮情况；保水开采，采用钻探和物探仪器进行监测导水裂隙带发育范围；矸石井下回填，在运矸带式输送机上安装皮带称监测某一时间段工作面的充填物料消耗量，同时记录对应时间内工作面支架的前移距离；矸石回填量的监测以工作面支架前移一次的距离并完成充填作业作为单位计算周期；

所述的步骤I反馈调节夯实工艺参数和充填体地基系数，具体为：

综合考虑动态充实率和辅助性监测方法分析结果，反馈调节夯实力σ_h、夯实次数n、堆料高度h_d、充填体地基系数k_g；

动态充实率反馈调节方法如下：

动态充实率小于设计需要的临界充实率时，加大夯实力σ_h、增加夯实次数n、增加堆料高度h_d或者增大充填体地基系数k_g；

动态充实率仅微大于即1.05倍以内设计需要的临界充实率时，维持原设计的夯实工艺参数和充填体地基系数k_g；

动态充实率显著大于即1.05倍以上设计需要的临界充实率时，为了提高充填开采速度并降低充填成本，减少夯实次数n、减小堆料高度h_d或者调整充填体地基系数k_g；

辅助性监测反馈调节方法如下：

适当加大夯实力σ_h、增加夯实次数n、增加堆料高度h_d或者增大充填体地基系数k_g的情况如下：建筑物或构筑物下开采，地表建筑物或构筑物变形大小有超过允许等级的趋势；房式煤柱回收开采，出现压力计压力值、工作阻力突然增大、煤柱片帮情况，立刻停止工作面作业，检查原因，增加超前区域的支护强度、通过注浆加固房式煤柱；保水开采，采用钻探和物探仪器监测出的导水裂隙带发育范围过大，有导通水源的危险的情况下；矸石井下回填，监测得出的每循环矸石回填量小于预计回填量；

反之，适当减小夯实力σ_h、减小夯实次数n、减小堆料高度h_d或者减小充填体地基系数k_g；

所述的步骤J实现充填开采岩层位态精准控制，具体为：

基于充填开采工程背景，明确充填采场实施岩层位态精准控制的控制要求、主控因素，针对性给定岩层位态“精准控制”的临界条件；通过充实率的精准设计、充填体地基系数的确定、夯实工艺参数确定和实施、充填效果实时监测、精准控制状态判别、工艺与参数动态反馈七个环节，实现岩层位态精准控制，同时形成充填开采岩层位态精准控制设计方法。