煤矸石最佳充填厚度控制方法

文档序号:10557532阅读:597来源:国知局
煤矸石最佳充填厚度控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
煤巧石最佳充填厚度控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种煤杆石农业复星方法,特别是一种煤杆石最佳充填厚度控制方 法。
【背景技术】
[0002] 煤杆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 沉陷区域或类似低法地,覆±后复星为农用地。运既使煤杆石废物得到了处理和利用,又使 采煤破坏的±地得到复星,因此煤杆石充填复星被广泛接受。但是大面积煤杆石充填复星 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,减少煤杆石的孔隙度,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杆石最佳充填厚度控制方法,解决大面积±地复星中 地表不均匀沉降问题和煤杆石不利工程特性的控制问题,防止煤杆石风化、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杆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,首先确定煤杆石的临界分层厚度,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k:
[0006]
[0007] σ自=山· 丫
[000引(^.Sin(45° + <l)/2)=(^.Cos(45° + <l)/2).tg<l)+C
[0009] σ总二化+σ 自
[0010] 解此方程即可得到临界厚度k,其中,Ρ为压实设备的压力,Β为滚轮半径,d为滚轮 下陷深度,丫为煤杆石密度,Φ为煤杆石内摩察角,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,煤杆石的最大 相对压实度R?,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,Rem为一定厚度和压力下最大相对压实度,RcO为煤杆石 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,化为临界分层厚度,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:
[001 引
[0019] 其中,Ah为充填超高,R。为设计的煤杆石相对压实度,Reo为初始的煤杆石相对压 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,运输车将煤杆石 沿条带堆积,推±机将煤杆石推平到设计高度(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运一控制指标,从而达到控制目的,设测得压实前杆石厚度为 hon,测得压实后压实量为Ahn,煤杆石初始相对压实度为Reo,则压实后杆石平均相对压实 度Rc:
[0022]
[0023] 其中:I?s = AhnA〇nX100%。
[0024] 有益效果,由于采用了上述方案,用于煤杆石作为充填材料在矿区±地复星时的 充填复星质量控制,有效解决煤杆石大面积±地复星中地表不均匀沉降问题和煤杆石不利 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, 减小杆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,运是杆石不利工 程特性最有效控制方法,有效控制杆石风化、胀缩、自燃、腐蚀等不利特性。
[0027] (3)降低煤杆石充填成本;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,首先确定煤杆石的临界分层厚度,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k:
[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,丫为煤杆石密度,Φ为煤杆石内摩察角,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,煤杆石的最大 相对压实度R?,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,Rem为一定厚度和压力下最大相对压实度,RcO为煤杆石 初始相对压实度,最后,根据下述模型确定最佳分层厚度hopt:
[003引 hopt《hL
[0039]
[0040] 其中,化为临界分层厚度,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,Ah为充填超高,R。为设计的煤杆石相对压实度,RcO为初始的煤杆石相对压 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,运输车将煤杆石 沿条带堆积,推±机将煤杆石推平到设计高度(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运一控制指标,从而达到控制目的,设测得压实前杆石厚度为 hon,测得压实后压实量为Ahn,煤杆石初始相对压实度为Reo,则压实后杆石平均相对压实 度Re:
[0046]
[0047] 其中:Rs = Ahn/honX100%。
[004引实施例1:该控制方法是在工程设计时,首先确定煤杆石的临界分层厚度,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] 运是最经济、最均质的充填方式;所谓等厚分层充填,就是为了提高煤杆石的相对 压实度和增加杆石承载力,在杆石回填时,从下到上W相同厚度逐次充填,W至达到设计标 局;
[0化1]所谓最经济即总压实趟数SN=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 = l ,2,…,k),对应的压实趟数 Ni(i = l,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,贝化1 · pi+h2 · P2+…+hk · pk = H;
[0化5] 证明;
[0化6] A、特例:当hi/Ni = h2/化二…=hk/Nk = v = Cont(常量)时,任意P都可使XN=Min: [0057]令化= hi/v,N2 = h2/v,...,Nk = hk/v [0化引··· ΣΝ=ρι · Ni+P2 · N2+...+i)k · Nk
[0059] = (pi · hi+p2 · h2+...+F>k · hk)/v
[0060] =H/v = Cont
[OOW] 运说明:1)无论pi,p2, ···,p棚何组合都有XN=Min成立;
[0062] 2)等厚分层也是最优,因为(〇,〇,...,pi,...,〇)ep'。
[0063] B、对任意情况
[0064] 设:hi/化= vi,h2/化= V2,...,hk/Nk = vk [00化]贝ij:化= hi/vi,化= h2/v2,...,Nk = hk/vk
[0066] Λ ΣΝ=ρι · Ni+P2 ·化+...+F>k · Nk
[0067] =pi · hi/vi+p2 · h2/v2+---+pk · hk/vk
[006引 令Vi=Max(vi,V2,... ,vi,... ,vk)
[0069] 则Ai = 1/vi-l/vi,A2= l/v2-l/vi,...,Ai= 1/v广l/vi = 0,Ak= 1/vk-l/vi,
[0070] ... ΣΝ=ρι · hi · (l/vi+Ai)+p2 · h2 · (l/vi+A2)+...+pk · hk · (1/vi+Ak)
[0071] =l/vi(pi · hi+p2 · h2+---+pk · hk) +
[0072] (pi . hi . Ai+P2 . h2 . A2+...+pi . hi . 0+...+pk . hk . Ak)
[0073] =H/vi+(pi · hi · Ai+P2 · h2 · A2+-..+pi · hi · 0+-..+pk · hk · Ak)
[0074] 由此可见,要使SN = Min,当且仅当p= (0,0,···,pi,···,0)时成立;分层厚度为hi, Min( EN)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杆石的相 对压实度,但在一定P作用下一定存在一山,当分层厚度h>hL时即使而Rc也不会有多 大改变;解下方程即可得到临界厚度k,
[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,丫为煤杆石密度,Φ 为煤杆石内摩察角,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,煤杆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,Rem为一定厚度和压力下最大相对压实度,Rco为煤杆石 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
[008引
[0089] 其中,化为临界分层厚度,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,Ah为充填超高,Re为设计的煤杆石相对压实度,RcO为初始的煤杆石相对压 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,运输车将煤杆石沿条带堆 积,推±机将煤杆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;
[00M] (6)采用水准法控制充填压实质量
[0096] 运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运一控 制指标,实现控制目的,当测得压实前杆石厚度为hon,测得压实后压实量为Ahn,煤杆石初 始相对压实度为RcO,则压实后杆石平均相对压实度Re:
[0097]
[009引 其中:I?s = AhnA0nX100%。
[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W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W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] 运里主要指盆地特征方面。在急倾斜煤层开采、特浅部开采W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睹即所谓漏斗形,有些盆地不 连续并伴有台阶、裂缝、错动等,运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"Ξ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 复星、林业复星等。
[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、芦韦和蒲草等,清除渺泥、移植树木、拆迁或改 迁水道及某些建筑物、构筑物等,为±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±。农业复星时,先剥离表±层(耕作层),堆放一起。然后剥离屯、±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±方机械的效率。
【主权项】
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。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:所述的临界分层厚 度hi的确定: σ 自=hL · γσ总Sin(45° + <i)/2) = 〇总Cos(45° + <i)/2) · tg<i>+C 〇总=〇z+〇自 解此方程即可得到临界分层厚度hL,其中,ρ为压实设备的压力,Β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。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R?,然后根据如下 公式计算该分层厚度下的压实趟数:其中,R。为设计相对压实度,R?为一定厚度和压力下最大相对压实度,R。。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^ihL其中,扯为临界分层厚度,K为在某一分层厚度i下需要压实的趟数。4. 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,Ah为充填超高,R。为设计的煤矸石相对压实度,R。。为初始的煤矸石相对压实度, hD为充填厚度。5. 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:所述的条带堆积法 充填,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。6. 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:所述的水准法控制 充填压实质量,也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,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Λ hn,煤矸石初始相对压实度为R。。,则压实后矸石平均相对压实度R c:
【文档编号】A01B79/00GK105917777SQ201610241248
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】张绍良, 侯湖平, 丁忠义, 陈浮, 张黎明
【申请人】中国矿业大学
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