本發(fā)明涉及一種高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，屬于充填體力學(xué)測試。

背景技術(shù)：

1、采用高水材料充填體替代煤柱的沿空留巷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)巷道的二次利用和煤柱資源回收，是一種新型綠色礦山開采技術(shù)。煤矸石是煤礦開采和洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，通常堆積存儲在地表，占用了土地資源，且存在火災(zāi)、滑坡和崩塌等隱患。將煤矸石破碎成顆粒后作為骨料顆粒置入高水材料充填體中，不僅能夠減少廢棄物堆積，還能降低高水材料使用量和進(jìn)一步提高沿空留巷技術(shù)的環(huán)保性。從高水材料置入水中攪拌到凝結(jié)成固體需要一定時間，在此過程中煤矸石顆粒在漿液中的運(yùn)移特征很難監(jiān)測，受固液密度影響，煤矸石顆粒存在不均勻分布、漂浮或沉底的現(xiàn)象，這些不同的煤矸石分布形態(tài)對充填體強(qiáng)度影響情況目前無法知曉。

2、若采用實(shí)驗(yàn)室澆筑試件的試驗(yàn)方法解決上述問題和優(yōu)化煤矸石高水充填體配比與材料成分比例以提高充填體承載性能，則需要大量的實(shí)驗(yàn)，且無法控制每次實(shí)驗(yàn)煤矸石分布形態(tài)等參數(shù)的一致，這樣就會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)變量不唯一，進(jìn)而會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、綜上所述，如何提供一種新的方法，能夠可視化漿液中煤矸石顆粒分布形態(tài)及分析煤矸石顆粒參數(shù)和分布形態(tài)對充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上預(yù)現(xiàn)不同煤矸石和漿液參數(shù)下煤矸石顆粒分布形態(tài)和預(yù)測充填體承載性能，且整個過程無需多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，是本發(fā)明所需研究的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，能夠可視化漿液中煤矸石顆粒分布形態(tài)及分析煤矸石顆粒參數(shù)和分布形態(tài)對充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上預(yù)現(xiàn)不同煤矸石和漿液參數(shù)下煤矸石顆粒分布形態(tài)和預(yù)測充填體承載性能，且整個過程無需多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，具體步驟為：

3、a、測試力學(xué)性能與建模：按設(shè)計(jì)的水灰比澆筑形成若干個設(shè)定尺寸的圓柱形高水材料試件并養(yǎng)護(hù)7天；在煤矸石產(chǎn)出巖層取樣并加工成圓柱形煤矸石試件，且該試件的尺寸與高水材料試件相同；采用伺服壓力機(jī)以恒定速度或恒定位移的方式對試件加壓直至試件破壞，獲取每個試件加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)；采用pfc3d建立設(shè)定尺寸的高水材料試件數(shù)值模型，采用linear?parallel?bond接觸模型粘結(jié)，對接觸模型附參并采用與伺服壓力機(jī)相同加載參數(shù)校正接觸參數(shù)，持續(xù)進(jìn)行模擬加載過程直至數(shù)值模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)與實(shí)際加載試件的數(shù)據(jù)和破壞形態(tài)一致時，確定當(dāng)前參數(shù)作為數(shù)值模型的對應(yīng)參數(shù)，完成數(shù)值模型建立過程；

4、b、測定高水材料漿液的黏度參數(shù)：采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法或動態(tài)剪切流變儀法測試高水材料漿液凝固過程中不同時間的黏度，待漿液完全固結(jié)后將數(shù)據(jù)擬合，得到高水材料漿液黏度-時間函數(shù)曲線f(t)；

5、c、計(jì)算煤矸石顆粒的入水體積與運(yùn)動特征：確定含有煤矸石顆粒的高水材料試件中煤矸石體積占比和粒徑級配分布，在數(shù)值模型中采用與煤矸石顆粒相同直徑的球體代替，球體個數(shù)為n，n為數(shù)值模型的圓柱體體積×體積占比/顆粒體積得到；并通過模擬獲得球體在進(jìn)入高水材料漿液后的運(yùn)動特征；

6、d、提取顆粒位置與幾何模型：在煤矸石密度大于高水材料漿液密度條件下，通過fish語言遍歷每個球體速度，當(dāng)某個球體速度由負(fù)數(shù)(即下沉情況)增大至大于0時(即上浮情況)，清除該球體速度，使其保持為0；數(shù)值模型運(yùn)行平衡后，導(dǎo)出煤矸石顆粒分布模型；

7、e、建立試件模型：將步驟d獲得的煤矸石顆粒分布模型導(dǎo)入步驟a建立的數(shù)值模型內(nèi)，并將煤矸石顆粒分布模型對應(yīng)在數(shù)值模型幾何空間內(nèi)的各個球體及接觸命名為煤矸石顆粒，其余球體及接觸命名為高水材料顆粒；然后將步驟a中得到的煤矸石試件和高水材料試件各自校正的接觸參數(shù)分別賦予煤矸石接觸參數(shù)和高水材料接觸參數(shù)，從而完成含有煤矸石的高水充填體數(shù)值模型的建立；

8、f、測試力學(xué)性能和分析分布形態(tài)的影響：將步驟e得到的數(shù)值模型，先設(shè)定高水材料與煤矸石顆粒的體積比為m:1、煤矸石距離漿液表面的高度為h及煤矸石顆粒半徑為r，帶入測定的黏度函數(shù)f(t)、并采用與伺服壓力機(jī)相同加載參數(shù)進(jìn)行模擬加載測試，從而獲得該條件下含有煤矸石的高水充填體的承載性能和顯現(xiàn)破壞特征；采用控制變量法，對高水材料與煤矸石顆粒的體積比、黏度函數(shù)、高度和煤矸石顆粒半徑其中之一進(jìn)行調(diào)節(jié)，并保持其他數(shù)據(jù)不變，重復(fù)進(jìn)行模擬加載測試，從而能獲得某一變量對充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律，根據(jù)模擬結(jié)果確定充填體最優(yōu)承載性能對應(yīng)的高水材料水灰比、黏度函數(shù)、高度及煤矸石顆粒半徑，從而根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)優(yōu)化實(shí)際充填體的承載性能。

9、進(jìn)一步，所述步驟a中設(shè)定尺寸的圓柱形高水材料試件為的圓柱形高水材料試件。

10、進(jìn)一步，所述步驟c中模擬獲得煤矸石顆粒在進(jìn)入高水材料漿液后的運(yùn)動特征，具體為：

11、球體初始生成在數(shù)值模型上方并固定速度為0，h為注漿口到漿液表面的距離；通過軟件命令監(jiān)測每個球體z方向的速度v(t)并通過fish語言控制高水材料漿液對每個球體施加阻力，阻力計(jì)算公式具體為：

12、f阻＝f浮+f黏(1)

13、

14、f黏＝6πf(t)rv(t)(3)

15、式中：ρ液為漿液密度，kg/m3；r為球體半徑，m；g為重力加速度，m/s2；h上-浮在漿液表面的球體超出液面的高度，m；

16、通過上述公式計(jì)算得到模擬顆粒的球體進(jìn)入液體后受到的浮力，并且將浮力施加到球體的z方向上，由于球體在液體中的x和y方向不受外力作用，視為自由運(yùn)動，從而能夠復(fù)現(xiàn)球體在進(jìn)入高水材料漿液后的運(yùn)動特征。

17、進(jìn)一步，所述步驟b中每次測定的時間間隔為0.5h。

18、進(jìn)一步，所述步驟f中黏度函數(shù)的調(diào)節(jié)通過減小高水材料的水灰比或添加其他有利于增加粘度的材料實(shí)現(xiàn)；高度的調(diào)節(jié)通過調(diào)整出漿口與漿液表面的距離實(shí)現(xiàn)。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明先制成設(shè)定尺寸的高水材料試件和煤矸石試件，并通過加載試驗(yàn)獲得每個試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)，接著采用pfc3d建立高水材料試件數(shù)值模型并通過模擬加載過程獲取對應(yīng)的參數(shù)，從而建立所需的數(shù)值模型；然后測定高水材料漿液的黏度參數(shù)，并計(jì)算煤矸石顆粒的進(jìn)入漿液的體積與在漿液內(nèi)的運(yùn)動特征；后續(xù)通過獲取煤矸石顆粒在不同黏度的漿液中煤矸石分布情況，獲得煤矸石顆粒分布模型；將分布模型與數(shù)值模型進(jìn)行融合，從而建立含有煤矸石的高水充填體數(shù)值模型；利用該模型測試其力學(xué)性能和分析煤矸石顆粒分布形態(tài)的影響；由上述可知，本發(fā)明能夠可視化漿液中煤矸石顆粒分布形態(tài)及分析煤矸石顆粒參數(shù)和分布形態(tài)對充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上預(yù)現(xiàn)不同煤矸石和漿液參數(shù)下煤矸石顆粒分布形態(tài)和預(yù)測充填體承載性能，且整個過程無需多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)特征：

1.一種高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，其特征在于，具體步驟為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟a中設(shè)定尺寸的圓柱形高水材料試件為的圓柱形高水材料試件。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟c中模擬獲得煤矸石顆粒在進(jìn)入高水材料漿液后的運(yùn)動特征，具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟b中每次測定的時間間隔為0.5h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述步驟f中黏度函數(shù)的調(diào)節(jié)通過減小高水材料的水灰比或添加其他有利于增加粘度的材料實(shí)現(xiàn)；高度的調(diào)節(jié)通過調(diào)整出漿口與漿液表面的距離實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高水材料煤矸石充填體承載性能優(yōu)化數(shù)值模擬方法，先通過加載試驗(yàn)獲得高水材料試件的應(yīng)力?應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)，接著建立高水材料試件數(shù)值模型并通過模擬加載獲取對應(yīng)的參數(shù)，從而建立所需的數(shù)值模型；然后測定高水材料漿液的黏度參數(shù)，并計(jì)算煤矸石顆粒的進(jìn)入漿液的體積與在漿液內(nèi)的運(yùn)動特征；后續(xù)通過獲取煤矸石顆粒在不同黏度的漿液中煤矸石分布情況，獲得煤矸石顆粒分布模型；將分布模型與數(shù)值模型進(jìn)行融合，從而建立含有煤矸石的高水充填體數(shù)值模型；利用該模型測試其力學(xué)性能，分析煤矸石顆粒參數(shù)和分布形態(tài)對充填體力學(xué)性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上預(yù)現(xiàn)不同煤矸石和漿液參數(shù)下煤矸石顆粒分布形態(tài)和預(yù)測充填體承載性能。

技術(shù)研發(fā)人員：趙祥岍,柏建彪,夏軍武,柏夏,鄧敏,張棟,趙濤,卞卡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇博廈礦山科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17