一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法

文档序号:10512486阅读:171来源:国知局
一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法
【专利摘要】一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,属于充填体压实成形密度确定方法。该确定方法流程及步骤如下:A、确定夯实成形基本分析模型;B、确定充填工艺中基本参数;C、确定充填液压支架基本类型;D、确定充填成形密实影响因素及其取值范围;E、借助Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks等三维软件,按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型;F、仿真模拟不同影响因素下总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度关系曲线;G、利用Matlab、Mathematica或Mathcad等数学软件进行多元回归拟合,得到夯实作用总体积Vt的表达式;H、将Vt与夯实前后质量守恒建立的关系式联合,得到充填体压实成形时密度的关系表达式。本发明为充填体压实成形密度求解提供一种理论计算方法。
【专利说明】
一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种充填体压实成形密度确定方法,特别是一种充填采煤的充填体压 实成形密度设计确定方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国煤炭资源的大量开采,越来越多矿井尤其是中东部矿井正面临着"三下" (水体下、建筑物下、铁路下)压煤问题,据不完全统计,我国仅统配煤矿的生产矿井"三下" 压煤就达137.9亿t,长期以来矿井主要靠搬迀解决压煤问题,固体充填开采是解决三下压 煤的重要手段之一,通过向采空区内密实充填能有效的控制采空区上方覆岩移动。充填体 的致密性是影响煤壁-充填液压支架-充填体三元协同控顶的关键因素,直接决定覆岩的控 制效果,充填体密实度较高时,直接顶不破断;密实度较低时,基本顶发生破断。充填体的致 密程度具体由充填体的容重(密度)表征,因此研究一种定量求解充填体压实成形密度的方 法是控制覆岩移动的关键技术之一。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的是定量提供一种简单、可靠、准确的充填采煤的充填体压实成形密 度设计确定方法,为充填采煤提供准确的计充填体的致密度、控制覆岩移动,提供理论依 据。
[0004] 本发明的目的是这样实现的:该充填体密度设计确定方法及流程按如下步骤:
[0005] A、确定夯实成形基本分析模型;
[0006] B、确定充填工艺中基本参数;
[0007] C、确定充填液压支架基本类型;
[0008] D、确定充填成形密实影响因素及其取值范围;
[0009] E、借助Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks三维软件,按照实际尺寸建立充填液 压支架和充填体实体模型;
[0010] F、利用Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下 累计夯实工况,导出总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度曲线;
[0011 ] G、利用Matlab、Mathematica或Mathcad数学软件对不同影响因素去下进行多元回 归拟合,得到夯实作用总体积Vt的表达式;
[0012] H、将Vt与夯实前后质量守恒建立的关系式联合,得到充填体压实成形时密度的关 系表达式。
[0013] 所述的步骤A中的夯实成形基本分析模型,具体步骤如下:
[0014] a、确定充填空间体积:充填体的堆积体积V由采煤高度M、充填步距d,支架宽度k决 定,即:
[0015] V=M · d · k (1)
[0016] b、确定充填体总体积:充填体总体积Vt为单次夯实作用体积Vi累计总和,即:
[0018] C、根据压实成形前后质量守恒,BP:
[0020] d、求解充填体成形时的密度p,即
[0022] 所述的步骤B中:充填工艺中基本参数包括充体初始密度P0、采煤高度M、充填步距 d,支架宽度k。
[0023] 所述的步骤C中:充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反 四连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架;液压支架 的架型选择由地质条件和采煤工艺确定。
[0024] 所述的步骤D中,充填体成形密度影响因素包括堆料高度、自然安息角度、夯实次 数,其取值范围依据具体如下:
[0025] a、根据充填工艺的总结与现场经验,堆料高度h与采高Μ的关系为:
[0026] h = ko(M-Mo) (5)
[0027] 式中:ko为堆料系数,一般取0.6~0.9 ;Mo表示多孔底卸式输送机的悬挂高度,由架 型确定。
[0028] b、自然安息角β由所选择的充填物料自身决定,根据充填工艺的总结与现场经验 取值范围为34~60° ;
[0029] c、夯实次数Ν由设计充实率确定,其对应第i次对充填物料实施夯实时的夯实角ai 与夯实次数N的关系为:
[0031] 式中,amin为最小穷实角,°,amax为最大穷实角,°,amin由充填液压支架的结构干涉 决定,a max由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定。
[0032] 所述的步骤E:借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件,按照实际尺寸 建立充填液压支架和充填体实体模型,对于其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆尺 寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸;充填体尺寸 包括堆料高度、自然安息角度。
[0033] 所述的步骤?:利用?1"〇/^、1]11丨8抑。11;^8似或3〇1丨(1¥〇^8三维软件仿真模拟不同 影响因素下累计夯实工况,通过上述软件的运动仿真模块分别导出夯实机构截割充填材料 总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度曲线。
[0034] 所述G步骤,按照如下步骤进行:
[0035] a、选取拟合函数可能形式中的一种;
[0036] b、利用]\&11:1313、]\&11:1161]^1:;[03或]\&11:11〇3(1数学软件,拟合总体积¥1;与堆料高度、自然 安息角度和夯实角度函数式;
[0037] c、如果相关系数R2>0 · 95,则给出函数表达式Vt = f (h,β,N),否则重新执行a~c。
[0038] 所述的步骤Η中:将拟合总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度函数式带
[0039] 有益效果:采用上述求解方法,首先采用Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks等 三维软件模拟并导出夯实机构截割充填体累计总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实 角度曲线,随后利用131:]^13、]\^11:11611^1:;[03或1^11:1103(1等数学软件,拟合总体积¥1;与堆料高 度、自然安息角度和夯实角度函数式,最后根据充填体成形前后质量守恒原理,定量的给出
,为广大从事矿山开采设计的科研人员、工程师提供一种 定量计算确定充填体压实成形后的密度的有效方法。
【附图说明】
[0040] 图1为充填体压实成形示意图。
[0041]图2为堆料高度与累计截割体积关系曲线。
[0042]图3为堆自然安息角度与累计截割体积关系曲线。
[0043]图4为夯实次数与累计截割体积关系曲线。
【具体实施方式】
[0044] 该充填体密度设计确定方法及流程按如下步骤:
[0045] A、确定夯实成形基本分析模型;
[0046] B、确定充填工艺中基本参数;
[0047] C、确定充填液压支架基本类型;
[0048] D、确定充填成形密实影响因素及其取值范围;
[0049] E、借助Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks等三维软件,按照实际尺寸建立充填 液压支架和充填体实体模型;
[0050] F、利用Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks等三维软件仿真模拟不同影响因素 下累计夯实工况,导出总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度曲线;
[0051 ] G、利用]\&11:1313、]\&11:1161]^1:;^3和]\&11:11〇3(1等数学软件对不同影响因素去下进行多元 回归拟合,得到夯实作用总体积Vt的表达式;
[0052] H、将Vt与夯实前后质量守恒建立的关系式联合,得到充填体压实成形时密度的关 系表达式。
[0053]所述的步骤A中的夯实成形基本分析模型,具体步骤如下:
[0054] a、确定充填空间体积:充填体的堆积体积V由采煤高度M、充填步距d,支架宽度k决 定,即:
[0055] V=M · d · k (1)
[0056] b、确定充填体总体积:充填体总体积Vt为单次夯实作用体积Vi累计总和,即:
[0058] C、根据压实成形前后质量守恒,BP:
[0060] d、求解充填体成形时的密度P,即
[0062] 充填工艺中基本参数包括充体初始密度Po、采煤高度Μ、充填步距d,支架宽度k。
[0063] 所述的步骤C中:充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反 四连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架;液压支架 的架型选择与地质条件和采煤工艺确定。
[0064] 所述的步骤D中,充填成形密实影响因素包括堆料高度、自然安息角度、夯实次数, 其取值范围依据具体如下:
[0065] a、根据充填工艺的总结与现场经验,堆料高度h与采高Μ的关系为:
[0066] h = ko(M_Mo) (5)
[0067] 式中:ko为堆料系数,一般取0.6~0.9 ;Mo表示多孔底卸式输送机的悬挂高度,由架 型确定。
[0068] b、自然安息角β由所选择的充填物料自身决定,根据充填工艺的总结与现场经验 取值范围为34~60° ;
[0069] c、夯实次数Ν由设计充实率确定,其对应第i次对充填物料实施夯实时的夯实角ai 与夯实次数N的关系为:
[0071] 式中,amin为最小穷实角,°,amax为最大穷实角,°,amin由充填液压支架的结构干涉 决定,a max由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定。
[0072] 所述的步骤E:借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks等三维软件,按照实际尺 寸建立充填液压支架和充填体实体模型,对于其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆 尺寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸;充填体尺 寸包括堆料高度、自然安息角度。
[0073] 所述的步骤?:利用?1"〇/^、1]11丨8抑。11;^8似或3〇1丨(1¥〇^8等三维软件仿真模拟不 同影响因素下累计夯实工况,导出总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度曲线。 [0074] 所述G步骤,按照如下步骤进行:
[0075] a、选取拟合函数可能形式中的一种;
[0076] b、利用]\&11:1313、]\&11:1161]^1:;[03或]\&11:11〇3(1等数学软件,拟合总体积¥1;与堆料高度、自 然安息角度和夯实角度函数式;
[0077] c、如果相关系数R2>0.95,则给出函数表达式Vt = f (h,i3,N),否则重新执行a~c;
[0078]将拟合总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度函数式带入(4)式,得到
[0079] 下面结合附图对本发明的一个实施例,对该充填体压实成形密度求解方法作进一 步的描述。
[0080] 实施例1:充填体压实成形密度求解方法的求解流程及求解方法按如下步骤:A、确 定夯实成形基本分析模型;B、确定充填工艺中基本参数;C、确定充填液压支架基本类型;D、 确定充填成形密实影响因素及其取值范围;E、借助Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks等 三维软件,按照实际尺寸建立充填液压支架和充填体实体模型;F、利用Pro/E、Unigraphic S NX和SolidWorks等三维软件仿真模拟不同影响因素下累计穷实体积Vt;G、进行多元回归拟 合,得到夯实作用总体积V t的表达式;H、将Vt与夯实前后质量守恒建立的关系式联合,得到 充填体压实成形时密度的关系表达式。
[0081 ] 1.所述步骤A中的夯实成形基本模型,具体如下:
[0082] a、确定充填空间体积:充填体的堆积体积V由采煤高度M、充填步距d,支架宽度k决 定,即:
[0083] V=M · d · k (1)
[0084] b、确定充填体总体积:充填体总体积Vt为单次夯实作用体积Vi累计总和,即:
[0086] c、根据压实成形前后质量守恒,即:
[0088] d、求解充填体成形时的密度P,即
[0090] 2.确定充填工艺中基本参数依据
[0091] 2.1工作面概况
[0092]成家庄煤矿试验充填采区开采穆家坡村预留保护煤柱,地表主要为晋西黄土高 原,黄土覆盖广泛,冲沟发育。设计3个充填开采工作面,其中80103首采工作面面长为95m, 推进长度484m,可采储量为20.3万t。所采煤层为8号煤,平均厚度2.8m,平均倾角6°。工作面 仰采俯充后退式布置,充填物料为井下洗选矸石。
[0093] 2.2充填工艺中基本参数
[0094]根据上述工作面概况确定基本参数包括,采煤高度2.8m,充填步距0.6m,充填体初 始容重为1.35m。
[0095] 3根据上述工作面概况确定采用四柱正四连杆充填液压支架;
[0096] 4.根据充填工艺确定堆料高度、夯实次数和自然安息角度为充填体压实成形密度 的重要影响因素,堆料高度的变化范围为1.3~2.2m、夯实次数的变化范围为3~7次、自然 安息角度的变化范围为34~60°
[0097] 5.借助Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks等三维软件,按照实际尺寸建立充填 液压支架和充填体实体模型,如图1所示,导出总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实 角度曲线,如图2~4所示。
[0098] 6拟合函数选择多元线性函数,利用]\&11:1313、]\&11:11611^1:;[03和]\^11:11〇3(1等数学软件, 拟合总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度函数式:
[0099] Vt = 4.9435+1.8534h-〇. 1504β+0.1585n(5)
[0100] 7将夯实作用总体积Vt代入(4),得到该矿充填体压实成形时的密度表达式:
[0102]当采煤高度M=2.8m、支架宽度k=1.5m、充填步距d = 0.6m、充填体初始密实度P〇 = 1.35t/m3、堆料高度h = 1.822m、自然安息角β = 42°、夯实次数N=5(夯实角变化范围为 3.0~29.6°),代入式(6),可设计出该矿矸石充填体的压实成形的密度P = 1.71t/m3。
【主权项】
1. 一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征在于:该充填体密度设 计确定方法及流程按如下步骤: A、 确定穷实成形基本分析模型; B、 确定充填工艺中基本参数; C、 确定充填液压支架基本类型; D、 确定充填成形密实影响因素及其取值范围; 已、借助?1"〇/^、1]11丨8抑。11;[〇8似或3〇1丨(1¥(^1^三维软件,按照实际尺寸建立充填液压支 架和充填体实体模型; F、 利用Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影响因素下累计 夯实工况,导出总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度曲线; G、 利用Mat lab、Mathemat i ca或Mathcad数学软件对不同影响因素曲线进行多元回归拟 合,得到夯实作用总体积Vt的表达式; H、 将总体积Vt与夯实前后质量守恒建立的关系式联合,得到充填体压实成形时密度的 关系表达式。2. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤A中的夯实成形基本分析模型,具体步骤如下: a、 确定充填空间体积:充填体的堆积体积V由采煤高度M、充填步距d,支架宽度k决定, 即: V=M · d · k (1) b、 确定充填体总体积:充填体总体积Vt为单次夯实作用体积Vi累计总和,即:c、 根据压实成形前后质量守恒,BP : 1d、 求解充填体成形时的密度P,即3. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤B中,充填工艺中基本参数包括充填体初始密度pq、采煤高度M、充填步距 d,支架宽度k。4. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤C中:充填液压支架基本类型包括六柱正四连杆充填液压支架、六柱反四 连杆充填液压支架、四柱正四连杆充填液压支架、四柱反四连杆充填液压支架;液压支架的 架型选择由地质条件和采煤工艺确定。5. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤D中,充填体成形密度影响因素包括堆料高度、自然安息角度、夯实次数, 其取值范围依据具体如下: a、 根据充填工艺的总结与现场经验,堆料高度h与采高Μ的关系为: h = k〇(M-M〇) (5) 式中:ko为堆料系数,一般取0.6~0.9 ;Mo表示多孔底卸式输送机的悬挂高度,由架型确 定。 b、 自然安息角β由所选择的充填物料自身决定,根据充填工艺的总结与现场经验取值 范围为34~60° ;c、 夯实次数Ν由设计充实率确定,其对应第i次对充填物料实施夯实时的夯实角cti与夯 实次数N的关系为· (0 式中,amin为最小穷实角,°,amax为最大穷实角,°,amin由充填液压支架的结构干涉决定, amax由充填液压支架的结构干涉和支护高度共同决定。6. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤E中:借助Pro/E、UnigraphicsNX或SolidWorks三维软件,按照实际尺寸 建立充填液压支架和充填体实体模型,对于其中固体充填液压支架尺寸参数包括四连杆尺 寸、前后顶梁尺寸、夯实机构尺寸、立柱尺寸、各类平衡千斤顶尺寸和底座尺寸;充填体尺寸 包括堆料高度、自然安息角度。7. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤F中:利用Pro/E、Unigraphics NX或SolidWorks三维软件仿真模拟不同影 响因素下累计夯实工况,通过上述软件的运动仿真模块分别导出夯实机构截割充填材料总 体积V t与堆料高度、自然安息角度和夯实角度曲线。8. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的G步骤中,按照如下步骤进行: a、选取拟合函数可能形式中的一种; 13、利用181:1313、]\&11:11611^1:;[〇3或1&11:11〇3(1数学软件,拟合总体积¥1;与堆料高度、自然安息 角度和夯实角度函数式; C、如果相关系数R2>0 · 95,则给出函数表达式Vt = f (h,β,N),否则重新执行a~C。9. 根据权利要求1所述的一种充填采煤的充填体压实成形密度设计确定方法,其特征 在于:所述的步骤Η中,将拟合总体积Vt与堆料高度、自然安息角度和夯实角度函数式带入 ⑷式,得到
【文档编号】G06F17/50GK105868510SQ201610284186
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张强, 张吉雄, 闫浩, 邰阳, 孙强
【申请人】中国矿业大学
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