煤矸石最佳充填厚度控制方法

摘要

一种煤矸石最佳充填厚度控制方法，属于煤矸石农业复垦方法。该控制方法是在选定的压实设备条件下，首先确定煤矸石的临界分层厚度，然后根据总压实趟数最小的目标函数模型确定最佳分层厚度，最后计算充填超高；施工时，采用条带堆积法充填，采用水准法控制充填压实质量。优点：(1)等厚分层充填，充填效果最好；最大限度保证均匀性，最大限度减少压实趟数，减小矸石的不稳定性和不均匀沉降，保证农田平整。(2)临界厚度控制；在分层充填中，充填厚度不能超过临界厚度，这是矸石不利工程特性最有效控制方法，有效控制矸石风化、胀缩、自燃、腐蚀等不利特性。(3)降低煤矸石充填成本；一方面保证了工程质量，另一方面减少了工程成本。

权利要求

1.一种煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是：该控制方法是在选定的压实设备条件下，首先确定煤矸石的临界分层厚度，然后根据总压实趟数最小的目标函数模型确定最佳分层厚度，最后计算充填超高；施工时，采用条带堆积法充填，采用水准法控制分层厚度；

所述的临界分层厚度hL的确定：

σ自＝hL·γ

σ总Sin(45°+φ/2)＝σ总Cos(45°+φ/2)·tgφ+Cσ总＝σZ+σ自

解此方程即可得到临界分层厚度hL，其中，p为压实设备的压力，B为滚轮半径，d为滚轮下陷深度，γ为煤矸石密度，φ为煤矸石内摩擦角 ，C为内聚力。

2.根据权利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是：所述的最佳分层厚度的确定：首先根据试验确定不同分层厚度下，煤矸石的最大相对压实度Rcm，然后根据如下公式计算该分层厚度下的压实趟数：其中，Rc为设计相对压实度，Rcm为一定厚度和压力下最大相对压实度，Rc0为煤矸石初始相对压实度，最后，根据下述模型确定最佳分层厚度hopt：hopt≤hL

其中，hL为临界分层厚度，Ni为在某一分层厚度i下需要压实的趟数。

3.根据权利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是：所述的充填超高确定：其中，Δh为充填超高，Rc为设计的煤矸石相对压实度，Rc0为初始的煤矸石相对压实度，hD为充填厚度。

说明书

煤矸石最佳充填厚度控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤矸石农业复垦方法，特别是一种煤矸石最佳充填厚度控制方法。

背景技术

[0002] 煤矸石是采煤和洗选过程中产生的固体废弃物，将之作为充填材料，充填到采煤沉陷区域或类似低洼地，覆土后复垦为农用地。这既使煤矸石废物得到了处理和利用，又使采煤破坏的土地得到复垦，因此煤矸石充填复垦被广泛接受。但是大面积煤矸石充填复垦时，地表往往出现不均匀沉降，严重影响到该技术的推广。目前普遍的解决办法是分层充填压实，减少煤矸石的孔隙度，但是最佳分层厚度和最佳压实趟数等控制关键技术还不成熟。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种煤矸石最佳充填厚度控制方法，解决大面积土地复垦中地表不均匀沉降问题和煤矸石不利工程特性的控制问题，防止煤矸石风化、自燃、腐蚀和湿胀等不利工程性质的影响。

[0004] 本发明的目的是要提供一种煤矸石最佳充填厚度控制方法，该控制方法是在选定的压实设备条件下，首先确定煤矸石的临界分层厚度，然后根据总压实趟数最小的目标函数模型确定最佳分层厚度，最后计算充填超高；施工时，采用条带堆积法充填，采用水准法控制充填压实质量。

[0005] 所述的临界分层厚度的确定hL：

[0006]

[0007] σ自＝hL·γ

[0008] σ总Sin(45°+φ/2)＝σ总Cos(45°+φ/2)·tgφ+C

[0009] σ总＝σZ+σ自

[0010] 解此方程即可得到临界厚度hL，其中，p为压实设备的压力，B为滚轮半径，d为滚轮下陷深度，γ为煤矸石密度，φ为煤矸石内摩察角，C为内聚力。

[0011] 所述的最佳分层厚度的确定：首先根据试验确定不同分层厚度下，煤矸石的最大相对压实度Rcm，然后根据如下公式计算该分层厚度下的压实趟数：

[0012]

[0013] 其中，Rc为设计相对压实度，Rcm为一定厚度和压力下最大相对压实度，Rc0为煤矸石初始相对压实度，最后，根据下述模型确定最佳分层厚度hopt：

[0014] hopt≤hL

[0015]

[0016] 其中，HL为临界分层厚度，Ni为在某一分层厚度i下需要压实的趟数。

[0017] 所述的充填超高确定：

[0018]

[0019] 其中，Δh为充填超高，Rc为设计的煤矸石相对压实度，Rc0为初始的煤矸石相对压实度，hD为充填厚度。

[0020] 所述的条带堆积法回填，也就是从中间最深处向两边逐一回填，运输车将煤矸石沿条带堆积，推土机将煤矸石推平到设计高度(分层厚度加超高)，压实机来回压实到最佳趟数，用水准法监测压实质量，达到设计的相对压实度指标为止。

[0021] 所述的水准法控制充填压实质量，也是—种间接控制方法，它通过测量的结果求得控制区的平均相对压实度这一控制指标，从而达到控制目的，设测得压实前矸石厚度为hon，测得压实后压实量为△hn，煤矸石初始相对压实度为Rc0，则压实后矸石平均相对压实度Rc：

[0022]

[0023] 其中：Rs＝△hn/hon×100％。

[0024] 有益效果，由于采用了上述方案，用于煤矸石作为充填材料在矿区土地复垦时的充填复垦质量控制，有效解决煤矸石大面积土地复垦中地表不均匀沉降问题和煤矸石不利工程特性的控制问题。

[0025] (1)等厚分层充填，充填效果最好；最大限度保证均匀性，最大限度减少压实趟数，减小矸石的不稳定性和不均匀沉降，保证农田平整。

[0026] (2)临界厚度控制；在分层充填中，充填厚度不能超过临界厚度，这是矸石不利工程特性最有效控制方法，有效控制矸石风化、胀缩、自燃、腐蚀等不利特性。

[0027] (3)降低煤矸石充填成本；一方面保证了工程质量，另一方面减少了工程成本。

具体实施方式

[0028] 该控制方法是在选定的压实设备条件下，首先确定煤矸石的临界分层厚度，然后根据总压实趟数最小的目标函数模型确定最佳分层厚度，最后计算充填超高；施工时，采用条带堆积法充填，采用水准法控制充填压实质量。

[0029] 所述的临界分层厚度的确定hL：

[0030]

[0031] σ自＝hL·γ

[0032] σ总Sin(45°+φ/2)＝σ总Cos(45°+φ/2)·tgφ+C

[0033] σ总＝σZ+σ自

[0034] 解此方程即可得到临界厚度hL，其中，p为压实设备的压力，B为滚轮半径，d为滚轮下陷深度，γ为煤矸石密度，φ为煤矸石内摩察角，C为内聚力。

[0035] 所述的最佳分层厚度的确定：首先根据试验确定不同分层厚度下，煤矸石的最大相对压实度Rcm，然后根据如下公式计算该分层厚度下的压实趟数：

[0036]

[0037] 其中，Rc为设计相对压实度，Rcm为一定厚度和压力下最大相对压实度，Rc0为煤矸石初始相对压实度，最后，根据下述模型确定最佳分层厚度hopt：

[0038] hopt≤hL

[0039]

[0040] 其中，HL为临界分层厚度，Ni为在某一分层厚度i下需要压实的趟数。

[0041] 所述的充填超高确定：

[0042]

[0043] 其中，Δh为充填超高，Rc为设计的煤矸石相对压实度，Rc0为初始的煤矸石相对压实度，hD为充填厚度。

[0044] 所述的条带堆积法回填，也就是从中间最深处向两边逐一回填，运输车将煤矸石沿条带堆积，推土机将煤矸石推平到设计高度(分层厚度加超高)，压实机来回压实到最佳趟数，用水准法监测压实质量，达到设计的相对压实度指标为止。

[0045] 所述的水准法控制充填压实质量，也是—种间接控制方法，它通过测量的结果求得控制区的平均相对压实度这一控制指标，从而达到控制目的，设测得压实前矸石厚度为hon，测得压实后压实量为△hn，煤矸石初始相对压实度为Rc0，则压实后矸石平均相对压实度Rc：

[0046]

[0047] 其中：Rs＝△hn/hon×100％。

[0048] 实施例1：该控制方法是在工程设计时，首先确定煤矸石的临界分层厚度，然后确定最佳分层厚度，最后计算充填超高；在工程施工时，采用条带堆积法充填，采用水准法控制分层厚度；方法步骤包括：

[0049] (1)等厚分层充填

[0050] 这是最经济、最均质的充填方式；所谓等厚分层充填，就是为了提高煤矸石的相对压实度和增加矸石承载力，在矸石回填时，从下到上以相同厚度逐次充填，以至达到设计标高；

[0051] 所谓最经济即总压实趟数ΣN＝Min，从而设：

[0052] 1)在h≤hL，即分层厚度小于临界厚度时，h可取hi(i＝1,2,…，k),对应的压实趟数Ni(i＝1,2,…，k)；当hi＞hj，有Ni＞Nj成立；

[0053] 2)总厚度H；

[0054] 3)分层厚度hi的次数为pi，则h1·p1+h2·p2+…+hk·pk＝H；

[0055] 证明：

[0056] A、特例：当h1/N1＝h2/N2＝…＝hk/Nk＝v＝Cont(常量)时，任意P都可使ΣN＝Min：

[0057] 令N1＝h1/v，N2＝h2/v，…，Nk＝hk/v

[0058] ∴ΣN＝p1·N1+p2·N2+…+pk·Nk

[0059] ＝(p1·h1+p2·h2+…+pk·hk)/v

[0060] ＝H/v＝Cont

[0061] 这说明：1)无论p1,p2,…,pk如何组合都有ΣN＝Min成立；

[0062] 2)等厚分层也是最优，因为(0,0,…,pi,…,0)∈P’。

[0063] B、对任意情况

[0064] 设：h1/N1＝v1，h2/N2＝v2，…，hk/Nk＝vk

[0065] 则：N1＝h1/v1，N2＝h2/v2，…，Nk＝hk/vk

[0066] ∴ΣN＝p1·N1+p2·N2+…+pk·Nk

[0067] ＝p1·h1/v1+p2·h2/v2+…+pk·hk/vk

[0068] 令Vi＝Max(v1,v2,…,vi,…,vk)

[0069] 则A1＝1/v1-1/vi，A2＝1/v2-1/vi，…，Ai＝1/vi-1/vi＝0，Ak＝1/vk-1/vi，[0070] ∴ΣN＝p1·h1·(1/vi+A1)+p2·h2·(1/vi+A2)+…+pk·hk·(1/vi+Ak)

[0071] ＝1/vi(p1·h1+p2·h2+…+pk·hk)+

[0072] (p1·h1·A1+p2·h2·A2+…+pi·hi·0+…+pk·hk·Ak)

[0073] ＝H/vi+(p1·h1·A1+p2·h2·A2+…+pi·hi·0+…+pk·hk·Ak)

[0074] 由此可见，要使ΣN＝Min，当且仅当p＝(0,0,…,pi,…,0)时成立；分层厚度为hi，Min(∑N)H/Vi＝H·Ni/hi，等厚分层最优。

[0075] 上面的过程同时也证明了：当分层厚度与压实趟数之比最大时，此时的厚度即为最佳厚度；

[0076] (2)充填厚度不能超过临界厚度

[0077] 在一定压力与相对压实度下，存在一临界厚度hL；压实趟数增加可提高矸石的相对压实度，但在一定P作用下一定存在一hL，当分层厚度h＞hL时即使N→∞而Rc也不会有多大改变；解下方程即可得到临界厚度hL，

[0078]

[0079] σ自＝hL·γ

[0080] σ总Sin(45°+φ/2)＝σ总Cos(45°+φ/2)·tgφ+C

[0081] σ总＝σZ+σ自

[0082] 其中，p为压实设备的压力，B为滚轮半径，d为滚轮下陷深度，γ为煤矸石密度，φ为煤矸石内摩察角，C为内聚力；

[0083] (3)确定最佳充填厚度

[0084] 首先根据试验确定不同分层厚度下，煤矸石的最大相对压实度Rcm，然后根据如下公式计算该分层厚度下的压实趟数：

[0085]

[0086] 其中，Rc为设计相对压实度，Rcm为一定厚度和压力下最大相对压实度，Rc0为煤矸石初始相对压实度，最后，根据下述模型确定最佳分层厚度hopt：

[0087] hopt≤hL

[0088]

[0089] 其中，HL为临界分层厚度，Ni为在某一分层厚度i下需要压实的趟数；

[0090] (4)确定充填超高

[0091]

[0092] 其中，Δh为充填超高，Rc为设计的煤矸石相对压实度，Rc0为初始的煤矸石相对压实度，hD为充填厚度；

[0093] (5)采用条带堆积法回填

[0094] 条带堆积法回填，就是从中间最深处向两边逐一回填，运输车将煤矸石沿条带堆积，推土机将煤矸石推平到分层厚度加超高，压实机来回压实到最佳趟数，用水准法监测压实质量，达到设计的相对压实度指标为止；

[0095] (6)采用水准法控制充填压实质量

[0096] 这是一种间接控制方法，它通过测量的结果求得控制区的平均相对压实度这一控制指标，实现控制目的，当测得压实前矸石厚度为hon，测得压实后压实量为△hn，煤矸石初始相对压实度为Rc0，则压实后矸石平均相对压实度Rc：

[0097]

[0098] 其中：Rs＝△hn/hon×100％。

[0099] 实施例2：

[0100] 1、适用条件

[0101] (1)自然环境条件

[0102] 分层充填最适用于无积水或季节性积水区以及积水量小的塌陷地。对积水量大的塌陷地，要先排干积水。地形条件太复杂也难以实施分层，因此塌陷地的积水程度和地形条件的复杂程度构成了此方法的前提条件。

[0103] (2)特殊盆地条件

[0104] 这里主要指盆地特征方面。在急倾斜煤层开采、特浅部开采以及其它特殊地质条件下开采，使得盆地形状极其复杂。有些盆地底部极深而且很陡即所谓漏斗形，有些盆地不连续并伴有台阶、裂缝、错动等，这些使得分层施工既不方便又危险，不适宜分层充填方法。一般来说“三带型”、“拱冒型”、“弯曲型”沉陷盆地用分层充填可行，而“切冒型”、“抽冒型”沉陷形式均不宜于此方法。

[0105] (3)工程利用条件：工程需要构成了分层充填的必要条件。分层充填适用于农用地复垦、林业复垦等。

[0106] 2、具体实施方式

[0107] (1)场地施工准备

[0108] 1)清理工作。包括清除盆地内杂物、芦苇和蒲草等，清除淤泥、移植树木、拆迁或改迁水道及某些建筑物、构筑物等，为土方机械的施工准备一个良好的外部环境。

[0109] 2)排除积水。对于积水坑还必须将水排掉，同时须考虑施工过程中的降雨问题，无法自排的要开挖排水沟。

[0110] (2)剥离表土。农业复垦时，先剥离表土层(耕作层)，堆放一起。然后剥离心土层，堆放在另一处。剥离厚度不能少于1米。

[0111] (3)分层充填方案设计。根据前面控制方法，确定压实设备，计算临界分层厚度，确定等厚分层厚度，确定充填超高。

[0112] (4)充填与平整施工

[0113] 回填时进行分区分层回填，采用水准法控制分层厚度。采用条带堆积法回填，充分发挥土方机械的效率。