本發(fā)明涉及充填采煤實驗技術(shù)領域，特別是一種適用于綜合機械化固體充填體物理相似模擬材料的確定方法。

背景技術(shù)：

隨著綜合機械化固體充填采煤技術(shù)在我國的應用越來越廣泛，上覆巖層的圍巖控制正在成為研究的熱點。研究上覆巖層移動規(guī)律的主要方法有物理相似模擬、理論分析和數(shù)值模擬等，而物理相似模擬被認為是最直接有效的方法。固體充填材料的力學性能對于充填采煤技術(shù)使用的成功與否起著決定性作用。如果能夠更精確的模擬出固體充填材料的力學特性，充分反映現(xiàn)場實際狀態(tài)下固體充填體對于上覆巖層的控制作用，可以極大地提高實驗精度。對于今后在實際生產(chǎn)中固體充填材料的選擇和充填方法的改進有促進作用。因此，研究一種固體充填體物理相似模擬材料的確定方法有著很強的必要性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中的不足，提供一種設計方法簡單、精確度高、安全可靠的固體充填體物理相似模擬材料的確定方法。

本發(fā)明的固體充填采煤充采質(zhì)量比設計方法，包括如下步驟：

a.利用伺服試驗機對矸石充填體進行壓實試驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε值，并繪制出壓實過程中矸石充填體的ε0-σ0曲線1作為參考曲線；

b.設定物理相似模型開挖的高度為h，開挖的歩距為s，則充填塊體的高度h1＝h/n，式中系數(shù)n為不小于1的實數(shù)，即充填塊體的高度小于或等于模型開挖的高度；

c.設計充填塊體的尺寸：長度為開挖歩距s，寬度為物理相似模型的寬度，高度為物理相似模型開挖的高度h；

d.選取兩種類別材料作為充填塊體的類別一類別二混合塊體，按照充填塊體的尺寸裁剪兩種類別材料，分別組合壘積類別一和類別二材料作為充填體的總厚度達到設計高度，記錄達到設計高度時兩種類別材料的塊數(shù)k；

e.無側(cè)限壓縮實驗：

采用伺服試驗機對類別一混合塊體做無側(cè)限壓縮實驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε，并繪制出壓縮過程中海綿薄木板混合塊體的ε1-σ1曲線2；

采用伺服試驗機對類別二混合塊體做無側(cè)限壓縮實驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε,并繪制出壓縮過程中海綿薄木板+普通紙張混合塊體的ε2-σ2曲線3；

f.在坐標橫軸上均勻的取20個點，分別計算ε0-σ0曲線1和ε1-σ1曲線2、ε0-σ0曲線1和ε2-σ2曲線3的誤差平方和，選取∑(εi-ε0)²≤0.5的曲線對應的混合塊體作為固體充填體物理相似模擬材料的充填塊體；

若沒有符合σ(εi-ε0)²≤0.5的曲線，則分別增加海綿的塊數(shù)k+1、k+2、k+3、……、k+i，直至選出符合∑(εi-ε0)²≤0.5的曲線。

所述的兩種類別材料：一種為海綿、薄木板，將海綿通過透明膠帶固定在薄木板上，使得海綿薄木板充填塊體的總厚度為h1；另外一種為海綿、普通紙張以及薄木板，將海綿通過透明膠帶固定在薄木板上，使得海綿薄木板充填塊體的總厚度為h1/2，將裁剪好的普通紙張固定在海綿薄木板充填塊體上，使得海綿薄木板+普通紙張充填塊體的總厚度為h1。

所述的海綿為普通海綿，其厚度為1.5-2.5cm。

所述的薄木板的厚度約為2-4mm。

所述的普通紙張為普通a4打印紙張。

所述的物理相似模型開挖的高度為h一般不超過5cm。

有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明能減小物理相似模擬實驗過程中充填材料選擇帶來的誤差，可以準確地設計海綿、薄木板、紙張等相似材料的厚度，為固體充填采煤物理相似模擬實驗的準確性提供了保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的固體充填體物理相似模擬材料制作示意圖。

圖2為本發(fā)明的實例固體充填物料壓實過程中密度-應力曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的描述：

實施例1、本發(fā)明的固體充填體相似模擬材料的確定方法，利用海綿、薄木板和普通紙張的組合制作相似模擬材料的試塊，并用伺服試驗機對試塊和實際固體充填材料進行壓縮試驗。通過對數(shù)據(jù)進行作圖處理，找出最接近實際固體充填材料的模擬材料。

a利用伺服試驗機對矸石充填體(取自煤礦充填矸石)進行壓縮試驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε，并繪制出壓實過程中矸石充填體的ε0-σ0曲線1作為參考曲線；

b根據(jù)已經(jīng)鋪設好的物理相似模型的尺寸，確定模型開挖的高度h，開挖歩距為s。則充填塊體的高度h1＝h/n，式中n為不小于1的實數(shù)，即充填塊體的高度小于等于模型開挖高度；

c設計出充填塊體的尺寸：長度為開挖歩距s，寬度為物理相似模型的寬度，高度為模型開挖高度h，獲取海綿、薄木板、普通紙張以及透明膠帶等原始材料，按照充填塊體的尺寸裁剪海綿、普通紙張及薄木板；

d將海綿累積至自然累積高度大于充填塊體設計高度h1為止，記錄此時海綿塊數(shù)為k；

e將充填塊體設計為兩種類別，一種為采用海綿、薄木板為材料制作，采用薄木板及透明膠帶固定組合海綿，使得海綿薄木板充填塊體的總厚度為h1；另外一種為采用海綿、普通紙張以及薄木板為材料制作，采用薄木板及透明膠帶固定組合海綿，使得海綿薄木板充填塊體的總厚度為h1/2，將裁剪好的普通紙張固定在海綿薄木板充填塊體上，使得海綿薄木板+普通紙張充填塊體的總厚度為h1；

f采用伺服試驗機對上述海綿薄木板充填塊體做無側(cè)限壓縮實驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε，并繪制出壓縮過程中海綿薄木板充填塊體的ε1-σ1曲線2；采用伺服試驗機對上述海綿薄木板+普通紙張混合塊體做無側(cè)限壓縮實驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε,并繪制出壓縮過程中海綿薄木板+普通紙張混合塊體的ε2-σ2曲線3；

g在橫軸上均勻的取20個點，分別計算曲線1和2、1和3的誤差平方和，經(jīng)計算得1和2的誤差平方和小于0.5，所以選擇曲線2對應的混合塊體作為固體充填體物理相似模擬材料。

實施例2、本發(fā)明的固體充填體相似模擬材料的確定方法，

a利用伺服試驗機對矸石充填體(取自煤礦充填矸石)進行壓縮試驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε，并繪制出壓實過程中矸石充填體的ε0-σ0曲線1作為參考曲線；

b根據(jù)已經(jīng)鋪設好的物理相似模型的尺寸，確定模型開挖的高度h，開挖歩距為s。則充填塊體的高度h1＝h/n，式中n為不小于1的實數(shù)，即充填塊體的高度小于等于模型開挖高度；

c設計出充填塊體的尺寸：長度為開挖歩距s，寬度為物理相似模型的寬度，高度為模型開挖高度h，獲取海綿、薄木板、普通紙張以及透明膠帶等原始材料，按照充填塊體的尺寸裁剪海綿、普通紙張及薄木板；

d將海綿累積至自然累積高度大于充填塊體設計高度h1為止，記錄此時海綿塊數(shù)為k；

e將充填塊體設計為兩種類別，一種為采用海綿、薄木板為材料制作，采用薄木板及透明膠帶固定組合海綿，使得海綿薄木板充填塊體的總厚度為h1；另外一種為采用海綿、普通紙張以及薄木板為材料制作，采用薄木板及透明膠帶固定組合海綿，使得海綿薄木板混合塊體的總厚度為h1/2，將裁剪好的普通紙張固定在海綿薄木板充填塊體上，使得海綿薄木板+普通紙張充填塊體的總厚度為h1；

f采用伺服試驗機對上述海綿薄木板混合塊體做無側(cè)限壓縮實驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε，并繪制出壓縮過程中海綿薄木板混合塊體的ε1-σ1曲線2；采用伺服試驗機對上述海綿薄木板+普通紙張混合塊體做無側(cè)限壓縮實驗，記錄加載過程中的應力σ與應變ε,并繪制出壓縮過程中海綿薄木板+普通紙張混合塊體的ε2-σ2曲線3；

g在橫軸上均勻的取20個點，分別計算曲線1和2、1和3的誤差平方和，選取σ(εi-ε0)²≤0.5的曲線對應的混合塊體作為固體充填體物理相似模擬材料；

h若沒有符合∑(εi-ε0)²≤0.5的曲線，則分別增加海綿的塊數(shù)到k+1塊、k+2塊、k+3塊……；重復步驟d～g，直至選出符合∑(εi-ε0)²≤0.5的充填塊體；

所述的原始材料海綿為普通海綿，其厚度為2cm左右；所述的薄木板的厚度約為3mm左右；所述的普通紙張為普通a4打印紙張。

所述的固體充填體物理相似模擬模型的開挖高度一般不超過5cm。