本发明提出了一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法将充填层‑煤层‑上覆岩层组合结构耦合作用下岩层运移和压力显现时空演化规律和矸石‑胶结剂胶结活化作用机理及充填材料力学承载性能时变特征结合起来，并将其应用于采空区充填和沿空留巷巷旁支护，减少矿井过度依赖经验、盲目充填导致的材料浪费现象，提高充填效率，实现煤矿企业能够以最小的工业成本取得最大的生产效益。
1.一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，其特征在于：
（1）对一个工作面开挖充填留巷过程建立模型，在工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板一侧均设置有多个应力监测点，通过设置的多个应力监测点进行顶板压力监测；
（2）提取应力监测点数据，并在模型中绘图，分析工作面到后方充填区域走向上的矿压显现规律，找到工作面到后方充填区域的上覆岩层矿压峰值出现的位置和距离，然后根据工作面每天推进长度，计算出矿压峰值出现的时间，以此作为充填材料强度达到矿压峰值的时间，计算公式如下：式中 T表示为充填材料达到规定强度的时间，d；L表示为矿压峰值出现位置到工作面的距离，m；M表示为工作面每天推进的距离，m/d ；
（3）运用富勒理论和泰波理论，并根据煤矿矸石充填实际情况，对粒径小于50mm的矸石进行配比，选取压缩率最小的矸石粒径组合为矸石充填最优级配矸石试验组；其中矸石各级粒径的通过率计算公式为：式中: k为矸石各级粒径的通过率，% ；d为矸石各级粒径，mm；D为矸石的最大粒径，mm；
（4）获得矸石充填最优级配之后，对最优级配下的矸石试验组中加入混合不同比例的水泥、粉煤灰、黄土和添加剂，在不同水灰比情况下制作多个圆柱试件；在充填材料装满圆柱模具之后用2MPa的压力进行压缩，以得到接近现场实际的研究试件；然后将试件分别在模拟矿井温度和湿度的养护条件下放置若干天，若干天之后对试件拆模并进行单轴压缩试验，计算各个试件的抗压强度和承载性能，试件的单轴抗压强度计算公式表示如下：式中： 为单轴抗压强度，MPa；P为试件达到破坏时的最大轴向压力，N；A为垂直于加载方向试件的断面积，mm2 ；
（5）获得各个试件的抗压强度数据之后进行分析，把抗压强度大于上述矿压峰值的试件视为目标试件，将目标试件的配料配比和水灰比数据进行分析，通过成本计算对比得出最经济合理的充填材料配比，以此为基础作为目标矿井采空区矸石充填以及沿空留巷巷旁支护工程的实践依据；将理论研究出的结果应用于目标工作面充填和留巷工程实践中，为了降低开采成本，采空区采用常规充填方式进行矸石充填，对需要留巷的巷道一侧采用上述研究获得的适应矿压显现规率的充填材料配比进行矸石充填；充填距离为工作面到后方顶板下沉稳定位置的长度，然后对巷道顶板的下沉情况和充填体的稳定状态进行长期观测，并将观测结果与上述研究结果进行比较分析，适时的重复上述步骤以获得更优的矸石充填方案。
2.根据权利要求1所述的一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，其特征在于：对一个工作面开挖充填留巷过程建立模型中是利用FLAC-3D数值模拟软件对一个工作面开挖充填留巷过程建立模型。
3.根据权利要求1所述的一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，其特征在于：在工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板一侧各自设置的相邻的两个应力监测点间隔相同的距离。
4.根据权利要求1所述的一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，其特征在于：工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板一侧设置的多个应力监测点的监测距离为工作面到工作面后方顶板下沉稳定位置的长度。
5.根据权利要求1所述的一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，其特征在于：对粒径小于40mm的矸石进行配比。
6.根据权利要求1所述的一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，其特征在于：水灰比取值为0.5-2之间。
一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于煤矿矸石充填技术领域，尤其涉及一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法。
背景技术
[0002] 矸石充填技术已经成为一个主要的现代煤矿绿色开采技术，利用煤矿生产过程中废弃的矸石等固体废物进行井下采空区回填，不仅取得了显著的经济和社会效益，而且对于改善矿区生产生活环境、解决三下压煤、减少煤炭资源损失等方面发挥了重要作用，具有广阔的应用前景。对于矸石充填技术和工艺的研究和应用，我国众多专家学者和煤矿企业做了很多努力，也取得了丰富的成果和经验。例如很多专家学者分析了矸石充填材料宏观压实力学性质和压实变形细观力学行为，研究了充填采场围岩及上覆岩层的运移规律和控制理论，对充填矸石及其辅料的混合物料进行胶结试验并优化配比，甚至很多企业研发和改进了适合现场充填实际情况的生产设备，促进了煤炭企业将矸石充填工艺流程积极应用于生产实践，并获得了良好的生产效益和丰富的技术经验。虽然矸石充填技术日趋成熟，对矸石充填技术的研究和应用，无论是充填材料的选取配制还是充填采场矿压控制理论，都取得丰富的理论成果和应用经验，但是目前对于矿压显现时空演化规律和充填材料胶结活化机理及力学性能方面的联合研究较为匮乏。
发明内容
[0003] 为了将充填层-煤层-上覆岩层组合结构耦合作用下岩层运移和压力显现时空演化规律和矸石-胶结剂胶结活化作用机理及充填材料力学承载性能时变特征结合起来，本发明提出了一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，并将其应用于采空区充填和沿空留巷巷旁支护，减少矿井过度依赖经验、盲目充填导致的材料浪费现象，提高充填效率，实现煤矿企业能够以最小的工业成本取得最大的生产效益，具体方案如下：
[0004] 一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，
[0005] （1）对一个工作面开挖充填留巷过程建立模型，在工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板一侧均设置有多个应力监测点，通过设置的多个应力监测点进行顶板压力监测；
[0006] （2）提取应力监测点数据，并在模型中绘图，分析工作面到后方充填区域走向上的矿压显现规律，找到工作面到后方充填区域的上覆岩层矿压峰值出现的位置和距离，然后根据工作面每天推进长度，计算出矿压峰值出现的时间，以此作为充填材料强度达到矿压峰值的时间，计算公式如下：
[0007]
[0008] 式中 T表示为充填材料达到规定强度的时间，d；L表示为矿压峰值出现位置到工作面的距离，m；M表示为工作面每天推进的距离，m/d ；
[0009] （3）运用富勒理论和泰波理论，并根据煤矿矸石充填实际情况，对粒径小于50mm的矸石进行配比，选取压缩率最小的矸石粒径组合为矸石充填最优级配矸石试验组；其中矸石各级粒径的通过率计算公式为：
[0010]
[0011] 式中: k为矸石各级粒径的通过率，% ；d为矸石各级粒径，mm；D为矸石的最大粒径，mm；n为试验指数，取0.3 0.7；~
[0012] （4）获得矸石充填最优级配之后，对最优级配下的矸石试验组中加入混合不同比例的水泥、粉煤灰、黄土和添加剂，在不同水灰比情况下制作多个圆柱试件；在充填材料装满圆柱模具之后用2MPa的压力进行压缩，以得到接近现场实际的研究试件；然后将试件分别在模拟矿井温度和湿度的养护条件下放置若干天，若干天之后对试件拆模并进行单轴压缩试验，计算各个试件的抗压强度和承载性能，试件的单轴抗压强度计算公式表示如下：
[0013]
[0014] 式中： 为单轴抗压强度，MPa；P为试件达到破坏时的最大轴向压力，N；A为垂直2
于加载方向试件的断面积，mm ；
[0015] （5）获得各个试件的抗压强度数据之后进行分析，把抗压强度大于上述矿压峰值的试件视为目标试件，将目标试件的配料配比和水灰比数据进行分析，通过成本计算对比得出最经济合理的充填材料配比，以此为基础作为目标矿井采空区矸石充填以及沿空留巷巷旁支护工程的实践依据；将理论研究出的结果应用于目标工作面充填和留巷工程实践中，为了降低开采成本，采空区采用常规充填方式进行矸石充填，对需要留巷的巷道一侧采用上述研究获得的适应矿压显现规率的充填材料配比进行矸石充填；充填距离为工作面到后方顶板下沉稳定位置的长度，然后对巷道顶板的下沉情况和充填体的稳定状态进行长期观测，并将观测结果与上述研究结果进行比较分析，适时的重复上述步骤以获得更优的矸石充填方案。
[0016] 进一步的，对一个工作面开挖充填留巷过程建立模型中是利用FLAC-3D数值模拟软件对一个工作面开挖充填留巷过程建立模型。
[0017] 进一步的，在工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板一侧各自设置的相邻的两个应力监测点间隔相同的距离。
[0018] 进一步的，工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板一侧设置的多个应力监测点的监测距离为工作面到工作面后方顶板下沉稳定位置的长度。
[0019] 进一步的，对粒径小于40mm的矸石进行配比。
[0020] 进一步的，水灰比取值为0.5-2之间。
[0021] 将各个不同配料配比和水灰比的试件和其抗压强度一一对应并记录备案，构建不同岩层沉陷控制要求和精度条件下的矸石充填材料配比-强度模型，基于此模型，为其他矿井矸石充填以及沿空留巷巷旁支护等工程提供参考。
[0022] 有益效果：
[0023] 本发明提出了一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法将充填层-煤层-上覆岩层组合结构耦合作用下岩层运移和压力显现时空演化规律和矸石-胶结剂胶结活化作用机理及充填材料力学承载性能时变特征结合起来，并将其应用于采空区充填和沿空留巷巷旁支护，减少矿井过度依赖经验、盲目充填导致的材料浪费现象，提高充填效率，实现煤矿企业能够以最小的工业成本取得最大的生产效益。
附图说明
[0024] 图1为本发明的适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法的应力监测点布置示意图；
[0025] 图2为本发明的适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法的矿压峰值点与工作面距离示意图；
[0026] 图中，1、煤层；2、应力监测点；3、巷旁支护体；4、采空区充填体；5、巷道；6、工作面；7、矿压峰值点；8、工作面到充填区矿压峰值点距离。
具体实施方式
[0027] 为了将充填层-煤层-上覆岩层组合结构耦合作用下岩层运移和压力显现时空演化规律和矸石-胶结剂胶结活化作用机理及充填材料力学承载性能时变特征结合起来，本发明提出了一种适应矿压规律条件下的矸石充填精准量化控制方法，并将其应用于采空区充填和沿空留巷巷旁支护，减少矿井过度依赖经验、盲目充填导致的材料浪费现象，提高充填效率，实现煤矿企业能够以最小的工业成本取得最大的生产效益。如图1-2所示，具体方案如下：
[0028] （1）利用FLAC-3D数值模拟软件对一个工作面开挖充填留巷等过程建立模型，并在工作面采空区充填体和巷旁支护体上方顶板侧每隔一定距离设置一个应力监测点，在工作面后方沿采空区方向布置多个测点进行顶板压力监测，监测距离一般为工作面到后方顶板下沉稳定位置的长度。监测点布置示意图如下图1所示。
[0029] （2）将数值模型里的测点数据提取并绘图，分析研究工作面到后方充填区域走向上的矿压显现规律，找到工作面到后方充填区域的上覆岩层矿压峰值出现的位置和距离，如图2所示。然后根据工作面每天推进长度，计算出矿压峰值出现的时间，以此作为充填材料强度达到矿压峰值的时间，计算公式如下：
[0030]
[0031] 式中 T表示为充填材料达到规定强度的时间，d；L表示为矿压峰值到工作面的距离，m；M表示为工作面每天推进的距离，m/d 。
[0032] （3）运用富勒理论和泰波理论，并根据煤矿矸石充填实际情况，对粒径小于50mm或者40mm的矸石进行配比，选取压缩率最小的矸石粒径组合为矸石充填最优级配矸石试验组。其中，富勒理论认为：颗粒级配曲线越接近抛物线，则其密度越大，空隙率越小。泰波在富勒公式的基础上进行了修正，提出了泰波公式：
[0033]
[0034] 式中: k为矸石各级粒径的通过率，% ；d为矸石各级粒径,mm；D为矸石的最大粒径,mm；n为试验指数，一般取0.3 0.7。~
[0035] （4）获得矸石充填最优级配之后，对最优级配下的矸石试验组中加入混合不同比例的水泥、粉煤灰、黄土和一些添加剂等，在不同水灰比（一般为0.5-2之间）情况下制作多个圆柱试件。由于井下矸石充填过程中，充填支架上的夯实机构利用夯实力最大为2MPa的推实板对充填矸石进行多次推压捣实工作，增加充填矸石密实度和充填率。所以在充填材料装满圆柱模具之后需要用2MPa的压力进行压缩，以此得到接近现场实际的研究试件。然后将试件分别在模拟矿井温度和湿度的养护条件下放置的时间为T天，T天之后对试件拆模并进行单轴压缩试验，研究各个试件的抗压强度和承载性能。试件的单轴抗压强度计算公式表示如下：
[0036]
[0037] 式中： 为单轴抗压强度，MPa；P为试件达到破坏时的最大轴向压力，N；A为垂直于加载方向试件的断面积，mm2 。
[0038] （5）获得各个试件的抗压强度数据之后进行分析，把抗压强度大于上述矿压峰值的试件视为目标试件，将目标试件的配料配比和水灰比等数据进行分析，通过成本计算对比得出最经济合理的充填材料配比，以此为基础作为目标矿井采空区矸石充填以及沿空留巷巷旁支护等工程的实践依据。将理论研究出的结果应用于目标工作面充填和留巷工程实践中，为了降低开采成本，采空区采用常规充填方式进行矸石充填，对需要留巷的巷道一侧采用上述研究获得的适应矿压显现规率的充填材料配比进行矸石充填。充填距离为工作面到后方顶板下沉稳定位置的长度，然后对巷道顶板的下沉情况和充填体的稳定状态进行长期观测，并将观测结果与上述研究结果进行比较分析，对研究内容和方案进行适当调整和优化，以获得最佳矸石充填方案。
[0039] （6）最后将各个不同配料配比和水灰比的试件和其抗压强度一一对应并记录备案，构建不同岩层沉陷控制要求和精度条件下的矸石充填材料配比-强度模型，基于此模型，为其他矿井矸石充填以及沿空留巷巷旁支护等工程提供参考。
