本發(fā)明涉及一種充填材料力學(xué)特性曲線修正方法，特別是一種基于實(shí)測(cè)的充填材料力學(xué)特性曲線修正方法。

背景技術(shù)：

充填材料作為充填采煤技術(shù)中巖層控制效果保證的關(guān)鍵因素，其力學(xué)特性直接決定上覆巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，充填材料力學(xué)特性包含的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線、容重與彈性地基系數(shù)曲線是進(jìn)行充填采煤覆巖運(yùn)動(dòng)控制及工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為充采質(zhì)量比、充實(shí)率理論控制指標(biāo)由應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線確定；夯實(shí)次數(shù)、夯實(shí)力等指標(biāo)由容重與彈性地基系數(shù)曲線確定。然而，目前通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到的充填材料力學(xué)特性曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)存在一定差別，這主要因?yàn)槌涮畈牧箱撏皦簩?shí)實(shí)驗(yàn)中鋼桶對(duì)充填材料的約束條件及液壓試驗(yàn)機(jī)加載條件與實(shí)際采場(chǎng)中邊界條件及覆巖載荷差異較大，因此為了獲得準(zhǔn)確的充填材料力學(xué)特性曲線，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力與應(yīng)變曲線及容重-彈性地基系數(shù)曲線進(jìn)行修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單、可靠、準(zhǔn)確的充填材料力學(xué)特性曲線修正方法，使充填材料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線盡可能接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，同時(shí)維持其基本變化趨勢(shì)，為進(jìn)行充填采煤覆巖運(yùn)動(dòng)控制及工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于實(shí)測(cè)的充填材料力學(xué)特性曲線修正方法及流程按如下步驟：

A、基于實(shí)驗(yàn)室鋼桶壓實(shí)試驗(yàn)，對(duì)充填材料進(jìn)行單軸側(cè)限壓縮，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制充填材料應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系的測(cè)試曲線；

B、根據(jù)測(cè)試曲線的變化趨勢(shì)，借助Excel、Origin、Matlab專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，擬合應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)數(shù)值關(guān)系表達(dá)式；

C、利用頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀與充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀對(duì)采煤工作面回采過程中充填體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線；

D、在同一坐標(biāo)系下分別繪制實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線、容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系曲線，其中測(cè)試曲線以擬合關(guān)系式運(yùn)算值替代；

E、對(duì)比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線，以實(shí)測(cè)曲線為目標(biāo)，采用修正擬合關(guān)系式中特征參數(shù)的方法，對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行修正。

所述的步驟A中的繪制充填材料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)試曲線，具體步驟如下：

a、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)：利用液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)壓實(shí)鋼筒中的充填材料進(jìn)行單軸側(cè)限壓縮，設(shè)計(jì)最大軸向壓應(yīng)力為20MPa，加載速率為2kN·s^-1；

b、確定各參數(shù)間關(guān)系：

應(yīng)變量ε_e確定：設(shè)定充填體試樣原始裝料高度為h₀，在軸向受壓的過程中，定義其壓縮變形量為Δh，則試樣的應(yīng)變量ε_e為：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h_0}---\left(1\right);$

容重γ_h的確定：設(shè)定壓實(shí)鋼筒的半徑為r₀、原始裝料質(zhì)量為M₀，則試樣在壓縮變形量為Δh時(shí)對(duì)應(yīng)的容重γ_h為：

${\mathrm{\γ}}_h=\frac{M_{0}g}{(h_0-\mathrm{\Δ}h){{\mathrm{\πr}}_0}^2}---\left(2\right);$

彈性地基系數(shù)k_ge確定：定義充填體試樣的變形模量為：E_e＝σ_e/ε_e，其中σ_e表示試樣所受壓實(shí)力，ε_e為試樣的應(yīng)變量，同時(shí)設(shè)定充填體彈性地基系數(shù)隨深度變化呈線性增大的形式，即充填體的彈性地基系數(shù)k_ge由式(3)確定：

$k_{ge}=\frac{E_e}{h_o}---\left(3\right);$

由式(3)得到充填體的彈性地基系數(shù)k_ge與應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

$k_{ge}=\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e{h}_0}---\left(4\right);$

c、繪制測(cè)試曲線：基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)和各參數(shù)間關(guān)系，分別繪制出充填材料應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系的兩個(gè)測(cè)試曲線。

所述的步驟B中：應(yīng)力與應(yīng)變的曲線擬合形式設(shè)定為：ε＝a+bln(σ+c)，式中ε為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的充填材料的應(yīng)變量；容重與彈性地基系數(shù)數(shù)值關(guān)系的曲線擬合形式設(shè)定為：k_g＝ae^bγ，式中k_g為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的充填體的彈性地基系數(shù)；或應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)數(shù)值關(guān)系的擬合曲線滿足決定系數(shù)R²＞0.9即可，決定系數(shù)為擬合曲線相關(guān)系數(shù)R的平方。

所述的步驟C中：根據(jù)頂板位移的下沉值與原始采高的比值反算充填體的應(yīng)變，實(shí)測(cè)頂板位移下沉值為Δd，設(shè)定煤層原始采高為d_o，則充填體的實(shí)測(cè)應(yīng)變量為ε_a＝Δd/d_o；根據(jù)充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)充填體自身的應(yīng)力變化，其中，充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀的布設(shè)位置和個(gè)數(shù)與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀保持一致，確保充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，從而得到實(shí)測(cè)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)步驟A中各參數(shù)間關(guān)系，得到實(shí)測(cè)容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系曲線。

所述的步驟E中：采用修正擬合關(guān)系式中特征參數(shù)的方法對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行修正，包括：應(yīng)力與應(yīng)變的修正關(guān)系：ε＝l₁a+l₂bln(σ+l₃c)，式中l(wèi)₁、l₂、l₃為修正系數(shù)；容重與彈性地基系數(shù)的修正關(guān)系：式中l(wèi)₄、l₅為修正系數(shù)；修正系數(shù)l₁、l₂、l₃、l₄、l₅的取值由壓實(shí)試驗(yàn)加載應(yīng)力、加載速率、曲線擬合形式、充填體的材料構(gòu)成、充填體的粒徑級(jí)配決定；其它滿足決定系數(shù)R²＞0.9要求的力學(xué)特性擬合曲線可類似采用修正關(guān)系式中特征參數(shù)的方法進(jìn)行修正。

有益效果：由于采用了上述修正技術(shù)方案，本發(fā)明首先利用實(shí)驗(yàn)室鋼桶壓實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制充填材料力學(xué)特性的測(cè)試曲線，并通過Excel、Origin、Matlab等擬合充填材料力學(xué)特性的數(shù)值關(guān)系表達(dá)式，然后利用監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)工作面回采過程中充填體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在同一坐標(biāo)系下分別繪制測(cè)試及實(shí)測(cè)的充填材料力學(xué)特性曲線，最后通過對(duì)比測(cè)試與實(shí)測(cè)曲線，以實(shí)測(cè)曲線為目標(biāo)，采用修正擬合關(guān)系式中主要參數(shù)的方法，對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行修正，定量的給出了基于實(shí)測(cè)的充填材料力學(xué)特性曲線修正方法，為獲得準(zhǔn)確的充填材料力學(xué)特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)充采質(zhì)量比、充實(shí)率、夯實(shí)次數(shù)、夯實(shí)力等工程參數(shù)提供理論依據(jù)。其修正方法簡(jiǎn)單易行，準(zhǔn)確性高，具有廣泛的實(shí)用性。

附圖說明

圖1為充填體應(yīng)力與應(yīng)變測(cè)試曲線修正示意。

圖2為充填體容重與彈性地基系數(shù)測(cè)試曲線修正示意。

具體實(shí)施方式

該充填材料力學(xué)特性曲線修正方法及流程按如下步驟：

A、基于實(shí)驗(yàn)室鋼桶壓實(shí)試驗(yàn)，對(duì)充填材料進(jìn)行單軸側(cè)限壓縮，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制充填材料應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系的測(cè)試曲線；

B、根據(jù)測(cè)試曲線的變化趨勢(shì)，借助Excel、Origin、Matlab等專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，擬合應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)數(shù)值關(guān)系表達(dá)式；

C、利用頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀與充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀對(duì)采煤工作面回采過程中充填體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線；

D、在同一坐標(biāo)系下分別繪制實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線、容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系曲線，其中測(cè)試曲線以擬合關(guān)系式運(yùn)算值替代；

E、對(duì)比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線，以實(shí)測(cè)曲線為目標(biāo)，采用修正擬合關(guān)系式中特征參數(shù)的方法，對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行修正。

所述的步驟A中的繪制充填材料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)室測(cè)試曲線，具體步驟如下：

a、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)：利用液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)壓實(shí)鋼筒中的充填材料進(jìn)行單軸側(cè)限壓縮，設(shè)計(jì)最大軸向壓應(yīng)力為20MPa，加載速率為2kN·s^-1；

b、確定各參數(shù)間關(guān)系：

應(yīng)變量ε_e確定：設(shè)定充填體試樣原始裝料高度為h₀，在軸向受壓的過程中，定義其壓縮變形量為Δh，則試樣的應(yīng)變量ε_e為：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h_0}---\left(1\right);$

容重γ_h的確定：設(shè)定壓實(shí)鋼筒的半徑為r₀、原始裝料質(zhì)量為M₀，則試樣在壓縮變形量為Δh時(shí)對(duì)應(yīng)的容重γ_h為：

${\mathrm{\γ}}_h=\frac{M_{0}g}{(h_0-\mathrm{\Δ}h){{\mathrm{\πr}}_0}^2}---\left(2\right);$

彈性地基系數(shù)k_ge確定：定義充填體試樣的變形模量為：E_e＝σ_e/ε_e，其中σ_e表示試樣所受壓實(shí)力，ε_e為試樣的應(yīng)變量，同時(shí)設(shè)定充填體彈性地基系數(shù)隨深度變化呈線性增大的形式，即充填體的彈性地基系數(shù)k_ge由式(3)確定：

$k_{ge}=\frac{E_e}{h_o}---\left(3\right);$

由式(3)得到充填體的彈性地基系數(shù)k_ge與應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

$k_{ge}=\frac{{\mathrm{\σ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e{h}_0}---\left(4\right);$

c、繪制測(cè)試曲線：基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)和各參數(shù)間關(guān)系，分別繪制出充填材料應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系的兩個(gè)測(cè)試曲線。

所述的步驟B中：應(yīng)力與應(yīng)變的曲線擬合形式設(shè)定為：ε＝a+bln(σ+c)，式中ε為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的充填材料的應(yīng)變量；容重與彈性地基系數(shù)數(shù)值關(guān)系的曲線擬合形式設(shè)定為：k_g＝ae^bγ，式中k_g為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的充填體的彈性地基系數(shù)；或應(yīng)力與應(yīng)變、容重與彈性地基系數(shù)數(shù)值關(guān)系的擬合曲線滿足決定系數(shù)R²＞0.9即可，決定系數(shù)為擬合曲線相關(guān)系數(shù)R的平方。

所述的步驟C中：根據(jù)頂板位移的下沉值與原始采高的比值反算充填體的應(yīng)變，實(shí)測(cè)頂板位移下沉值為Δd，設(shè)定煤層原始采高為d_o，則充填體的實(shí)測(cè)應(yīng)變量為ε_a＝Δd/d_o；根據(jù)充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)充填體自身的應(yīng)力變化，其中，充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀的布設(shè)位置和個(gè)數(shù)與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀保持一致，確保充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，從而得到實(shí)測(cè)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)步驟A中各參數(shù)間關(guān)系，得到實(shí)測(cè)容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系曲線。

所述的步驟E中：采用修正擬合關(guān)系式中特征參數(shù)的方法對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行修正，包括：應(yīng)力與應(yīng)變的修正關(guān)系：ε＝l₁a+l₂bln(σ+l₃c)，式中l(wèi)₁、l₂、l₃為修正系數(shù)；容重與彈性地基系數(shù)的修正關(guān)系：式中l(wèi)₄、l₅為修正系數(shù)；修正系數(shù)l₁、l₂、l₃、l₄、l₅的取值由壓實(shí)試驗(yàn)加載應(yīng)力、加載速率、曲線擬合形式、充填體的材料構(gòu)成、充填體的粒徑級(jí)配決定；其它(如對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等)滿足決定系數(shù)R²＞0.9要求的力學(xué)特性擬合曲線可類似采用修正關(guān)系式中特征參數(shù)的方法進(jìn)行修正。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)基于實(shí)測(cè)的充填材料力學(xué)特性曲線修正方法作進(jìn)一步的描述：

實(shí)施例1：翟鎮(zhèn)礦7203W充填工作面采用矸石作為充填材料，從礦上選取50mm以下粒徑按原粒徑級(jí)配制得原生矸石并進(jìn)行單軸側(cè)限壓縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到矸石充填材料應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：ε_e＝0.139+0.057ln(σ_e+0.063)，利用頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀與充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀對(duì)工作面回采過程中充填體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線；在同一坐標(biāo)系下，對(duì)比測(cè)試與實(shí)測(cè)的曲線，以實(shí)測(cè)曲線為目標(biāo)，采用修正擬合關(guān)系式中主要參數(shù)的方法，對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行修正。修正后的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為：ε＝0.117+0.037ln(σ-1.140)，按照上述的修正方法，修正系數(shù)為l₁＝0.84，l₂＝0.65，l₃＝-18.09；由實(shí)驗(yàn)室測(cè)試矸石充填材料的容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系為：修正后的容重與彈性地基系數(shù)關(guān)系為：k_g＝0.0246e^0.3513γ，按照上述的修正方法，修正系數(shù)為l₄＝6.83，l₅＝0.63。