煤矸石最佳充填厚度控制方法
【專利摘要】一種煤矸石最佳充填厚度控制方法，屬于煤矸石農業復墾方法。該控制方法是在選定的壓實設備條件下，首先確定煤矸石的臨界分層厚度，然后根據總壓實趟數最小的目標函數模型確定最佳分層厚度，最后計算充填超高；施工時，采用條帶堆積法充填，采用水準法控制充填壓實質量。優點：(1)等厚分層充填，充填效果最好；最大限度保證均勻性，最大限度減少壓實趟數，減小矸石的不穩定性和不均勻沉降，保證農田平整。(2)臨界厚度控制；在分層充填中，充填厚度不能超過臨界厚度，這是矸石不利工程特性最有效控制方法，有效控制矸石風化、脹縮、自燃、腐蝕等不利特性。(3)降低煤矸石充填成本；一方面保證了工程質量，另一方面減少了工程成本。
【專利說明】
煤巧石最佳充填厚度控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種煤桿石農業復星方法，特別是一種煤桿石最佳充填厚度控制方 法。
【背景技術】
[0002] 煤桿石是采煤和洗選過程中產生的固體廢棄物，將之作為充填材料，充填到采煤 沉陷區域或類似低法地，覆±后復星為農用地。運既使煤桿石廢物得到了處理和利用，又使 采煤破壞的±地得到復星，因此煤桿石充填復星被廣泛接受。但是大面積煤桿石充填復星 時，地表往往出現不均勻沉降，嚴重影響到該技術的推廣。目前普遍的解決辦法是分層充填 壓實，減少煤桿石的孔隙度，但是最佳分層厚度和最佳壓實趟數等控制關鍵技術還不成熟。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種煤桿石最佳充填厚度控制方法，解決大面積±地復星中 地表不均勻沉降問題和煤桿石不利工程特性的控制問題，防止煤桿石風化、自燃、腐蝕和濕 脹等不利工程性質的影響。
[0004] 本發明的目的是要提供一種煤桿石最佳充填厚度控制方法，該控制方法是在選定 的壓實設備條件下，首先確定煤桿石的臨界分層厚度，然后根據總壓實趟數最小的目標函 數模型確定最佳分層厚度，最后計算充填超高;施工時，采用條帶堆積法充填，采用水準法 控制充填壓實質量。
[0005] 所述的臨界分層厚度的確定k:
[0006]
[0007] σ自=山· 丫
[000引（^.Sin(45° + <l)/2)=(^.Cos(45° + <l)/2).tg<l)+C
[0009] σ總二化+σ 自
[0010] 解此方程即可得到臨界厚度k，其中，Ρ為壓實設備的壓力，Β為滾輪半徑，d為滾輪 下陷深度，丫為煤桿石密度，Φ為煤桿石內摩察角，C為內聚力。
[0011] 所述的最佳分層厚度的確定:首先根據試驗確定不同分層厚度下，煤桿石的最大 相對壓實度R?，然后根據如下公式計算該分層厚度下的壓實趟數：
[0012]
[0013] 其中，Rc為設計相對壓實度，Rem為一定厚度和壓力下最大相對壓實度，RcO為煤桿石 初始相對壓實度，最后，根據下述模型確定最佳分層厚度hopt:
[0014] hopt^hL
[0015]
[0016] 其中，化為臨界分層厚度，Ni為在某一分層厚度i下需要壓實的趟數。
[0017] 所述的充填超高確定：
[001 引
[0019] 其中，Ah為充填超高，R。為設計的煤桿石相對壓實度，Reo為初始的煤桿石相對壓 實度，hD為充填厚度。
[0020] 所述的條帶堆積法回填，也就是從中間最深處向兩邊逐一回填，運輸車將煤桿石 沿條帶堆積，推±機將煤桿石推平到設計高度(分層厚度加超高），壓實機來回壓實到最佳 趟數，用水準法監測壓實質量，達到設計的相對壓實度指標為止。
[0021] 所述的水準法控制充填壓實質量，也是一種間接控制方法，它通過測量的結果求 得控制區的平均相對壓實度運一控制指標，從而達到控制目的，設測得壓實前桿石厚度為 hon，測得壓實后壓實量為Ahn，煤桿石初始相對壓實度為Reo，則壓實后桿石平均相對壓實 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，用于煤桿石作為充填材料在礦區±地復星時的 充填復星質量控制，有效解決煤桿石大面積±地復星中地表不均勻沉降問題和煤桿石不利 工程特性的控制問題。
[0025] (1)等厚分層充填，充填效果最好;最大限度保證均勻性，最大限度減少壓實趟數， 減小桿石的不穩定性和不均勻沉降，保證農田平整。
[0026] (2)臨界厚度控制;在分層充填中，充填厚度不能超過臨界厚度，運是桿石不利工 程特性最有效控制方法，有效控制桿石風化、脹縮、自燃、腐蝕等不利特性。
[0027] (3)降低煤桿石充填成本;一方面保證了工程質量，另一方面減少了工程成本。
【具體實施方式】
[0028] 該控制方法是在選定的壓實設備條件下，首先確定煤桿石的臨界分層厚度，然后 根據總壓實趟數最小的目標函數模型確定最佳分層厚度，最后計算充填超高;施工時，采用 條帶堆積法充填，采用水準法控制充填壓實質量。
[0029] 所述的臨界分層厚度的確定k:
[0034] 解此方程即可得到臨界厚度hL，其中，p為壓實設備的壓力，B為滾輪半徑，d為滾輪 下陷深度，丫為煤桿石密度，Φ為煤桿石內摩察角，C為內聚力。
[0035] 所述的最佳分層厚度的確定:首先根據試驗確定不同分層厚度下，煤桿石的最大 相對壓實度R?，然后根據如下公式計算該分層厚度下的壓實趟數：
[0036]
[0037] 其中，Rc為設計相對壓實度，Rem為一定厚度和壓力下最大相對壓實度，RcO為煤桿石 初始相對壓實度，最后，根據下述模型確定最佳分層厚度hopt:
[003引 hopt《hL
[0039]
[0040] 其中，化為臨界分層厚度，Ni為在某一分層厚度i下需要壓實的趟數。
[0041] 所述的充填超高確定：
[0042]
[0043] 其中，Ah為充填超高，R。為設計的煤桿石相對壓實度，RcO為初始的煤桿石相對壓 實度，hD為充填厚度。
[0044] 所述的條帶堆積法回填，也就是從中間最深處向兩邊逐一回填，運輸車將煤桿石 沿條帶堆積，推±機將煤桿石推平到設計高度(分層厚度加超高），壓實機來回壓實到最佳 趟數，用水準法監測壓實質量，達到設計的相對壓實度指標為止。
[0045] 所述的水準法控制充填壓實質量，也是一種間接控制方法，它通過測量的結果求 得控制區的平均相對壓實度運一控制指標，從而達到控制目的，設測得壓實前桿石厚度為 hon，測得壓實后壓實量為Ahn，煤桿石初始相對壓實度為Reo，則壓實后桿石平均相對壓實 度Re:
[0046]
[0047] 其中：Rs = Ahn/honX100%。
[004引實施例1:該控制方法是在工程設計時，首先確定煤桿石的臨界分層厚度，然后確 定最佳分層厚度，最后計算充填超高;在工程施工時，采用條帶堆積法充填，采用水準法控 制分層厚度;方法步驟包括：
[0049] (1)等厚分層充填
[0050] 運是最經濟、最均質的充填方式;所謂等厚分層充填，就是為了提高煤桿石的相對 壓實度和增加桿石承載力，在桿石回填時，從下到上W相同厚度逐次充填，W至達到設計標 局；
[0化1]所謂最經濟即總壓實趟數SN=Min，從而設：
[0052] 1)在h《hL，即分層厚度小于臨界厚度時，h可取hi(i = l ,2,…，k),對應的壓實趟數 Ni(i = l，2，...，k);當hi>hj，有Ni>Nj成立；
[0053] 2)總厚度 H;
[0054] 3)分層厚度hi的次數為pi，貝化1 · pi+h2 · P2+…+hk · pk = H;
[0化5] 證明；
[0化6] A、特例：當hi/Ni = h2/化二…=hk/Nk = v = Cont(常量)時，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] 運說明：1)無論pi,p2, ···，p棚何組合都有XN=Min成立；
[0062] 2)等厚分層也是最優，因為(〇,〇，...，pi，...，〇)ep'。
[0063] B、對任意情況
[0064] 設：hi/化= vi，h2/化= V2，...，hk/Nk = vk [00化]貝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] 則Ai = 1/vi-l/vi，A2= l/v2-l/vi，...，Ai= 1/v廣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] 由此可見，要使SN = Min，當且僅當p= (0,0，···，pi，···，0)時成立;分層厚度為hi， Min( EN)H/Vi = H · Ni/hi，等厚分層最優。
[0075] 上面的過程同時也證明了：當分層厚度與壓實趟數之比最大時，此時的厚度即為 最佳厚度；
[0076] (2)充填厚度不能超過臨界厚度
[0077] 在一定壓力與相對壓實度下，存在一臨界厚度hL;壓實趟數增加可提高桿石的相 對壓實度，但在一定P作用下一定存在一山，當分層厚度h>hL時即使而Rc也不會有多 大改變;解下方程即可得到臨界厚度k，
[0082] 其中，P為壓實設備的壓力，B為滾輪半徑，d為滾輪下陷深度，丫為煤桿石密度，Φ 為煤桿石內摩察角，C為內聚力；
[0083] (3)確定最佳充填厚度
[0084] 首先根據試驗確定不同分層厚度下，煤桿石的最大相對壓實度Rcm，然后根據如下 公式計算該分層厚度下的壓實趟數：
[0085]
[0086] 其中，Rc為設計相對壓實度，Rem為一定厚度和壓力下最大相對壓實度，Rco為煤桿石 初始相對壓實度，最后，根據下述模型確定最佳分層厚度hopt:
[0087] hopt^hL
[008引
[0089] 其中，化為臨界分層厚度，Ni為在某一分層厚度i下需要壓實的趟數；
[0090] (4)確定充填超高
[0091]
[0092] 其中，Ah為充填超高，Re為設計的煤桿石相對壓實度，RcO為初始的煤桿石相對壓 實度，hD為充填厚度；
[0093] (5)采用條帶堆積法回填
[0094] 條帶堆積法回填，就是從中間最深處向兩邊逐一回填，運輸車將煤桿石沿條帶堆 積，推±機將煤桿石推平到分層厚度加超高，壓實機來回壓實到最佳趟數，用水準法監測壓 實質量，達到設計的相對壓實度指標為止；
[00M] (6)采用水準法控制充填壓實質量
[0096] 運是一種間接控制方法，它通過測量的結果求得控制區的平均相對壓實度運一控 制指標，實現控制目的，當測得壓實前桿石厚度為hon，測得壓實后壓實量為Ahn，煤桿石初 始相對壓實度為RcO，則壓實后桿石平均相對壓實度Re:
[0097]
[009引 其中：I?s = AhnA0nX100%。
[0099] 實施例2:
[0100] 1、適用條件
[0101] (1)自然環境條件
[0102] 分層充填最適用于無積水或季節性積水區W及積水量小的塌陷地。對積水量大的 塌陷地，要先排干積水。地形條件太復雜也難W實施分層，因此塌陷地的積水程度和地形條 件的復雜程度構成了此方法的前提條件。
[0103] (2)特殊盆地條件
[0104] 運里主要指盆地特征方面。在急傾斜煤層開采、特淺部開采W及其它特殊地質條 件下開采，使得盆地形狀極其復雜。有些盆地底部極深而且很睹即所謂漏斗形，有些盆地不 連續并伴有臺階、裂縫、錯動等，運些使得分層施工既不方便又危險，不適宜分層充填方法。 一般來說"Ξ帶型"、"拱冒型"、"彎曲型"沉陷盆地用分層充填可行，而"切冒型"、"抽冒型" 沉陷形式均不宜于此方法。
[0105] (3)工程利用條件:工程需要構成了分層充填的必要條件。分層充填適用于農用地 復星、林業復星等。
[0106] 2、【具體實施方式】
[0107] (1)場地施工準備
[0108] 1)清理工作。包括清除盆地內雜物、蘆韋和蒲草等，清除渺泥、移植樹木、拆遷或改 遷水道及某些建筑物、構筑物等，為±方機械的施工準備一個良好的外部環境。
[0109] 2)排除積水。對于積水坑還必須將水排掉，同時須考慮施工過程中的降雨問題，無 法自排的要開挖排水溝。
[0110] (2)剝離表±。農業復星時，先剝離表±層(耕作層），堆放一起。然后剝離屯、±層， 堆放在另一處。剝離厚度不能少于1米。
[0111] (3)分層充填方案設計。根據前面控制方法，確定壓實設備，計算臨界分層厚度，確 定等厚分層厚度，確定充填超高。
[0112] (4)充填與平整施工
[0113] 回填時進行分區分層回填，采用水準法控制分層厚度。采用條帶堆積法回填，充分 發揮±方機械的效率。
【主權項】
1. 一種煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是：該控制方法是在選定的壓實設備條 件下，首先確定煤矸石的臨界分層厚度，然后根據總壓實趟數最小的目標函數模型確定最 佳分層厚度，最后計算充填超高;施工時，采用條帶堆積法充填，采用水準法控制分層厚度。2. 根據權利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是:所述的臨界分層厚 度hi的確定： σ 自=hL · γσ總Sin(45° + <i)/2) = 〇總Cos(45° + <i)/2) · tg<i>+C 〇總=〇z+〇自 解此方程即可得到臨界分層厚度hL，其中，ρ為壓實設備的壓力，Β為滾輪半徑，d為滾輪 下陷深度，γ為煤矸石密度，Φ為煤矸石內摩察角，C為內聚力。3. 根據權利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是:所述的最佳分層厚 度的確定:首先根據試驗確定不同分層厚度下，煤矸石的最大相對壓實度R?，然后根據如下 公式計算該分層厚度下的壓實趟數：其中，R。為設計相對壓實度，R?為一定厚度和壓力下最大相對壓實度，R。。為煤矸石初始 相對壓實度，最后，根據下述模型確定最佳分層厚度hopt: hopt^ihL其中，扯為臨界分層厚度，K為在某一分層厚度i下需要壓實的趟數。4. 根據權利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是:所述的充填超高確 定：其中，Ah為充填超高，R。為設計的煤矸石相對壓實度，R。。為初始的煤矸石相對壓實度， hD為充填厚度。5. 根據權利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是:所述的條帶堆積法 充填，也就是從中間最深處向兩邊逐一回填，運輸車將煤矸石沿條帶堆積，推土機將煤矸石 推平到分層厚度加超高，壓實機來回壓實到最佳趟數，用水準法監測壓實質量，達到設計的 相對壓實度指標為止。6. 根據權利要求1所述的煤矸石最佳充填厚度控制方法，其特征是:所述的水準法控制 充填壓實質量，也是一種間接控制方法，它通過測量的結果求得控制區的平均相對壓實度 這一控制指標，從而達到控制目的，設測得壓實前矸石厚度為hon，測得壓實后壓實量為Λ hn，煤矸石初始相對壓實度為R。。，則壓實后矸石平均相對壓實度R c:
【文檔編號】A01B79/00GK105917777SQ201610241248
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】張紹良, 侯湖平, 丁忠義, 陳浮, 張黎明
【申請人】中國礦業大學