一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，具体涉及矿业工程领域。本发明专利技术通过选取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征作为三维空间充填效果评价参数，根据三维空间充填稳定后的现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，获取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征，分析确定三维空间充填效果评价参数的影响因素，基于综合指数熵权法计算各影响因素的权重，构建三维空间充填开采评价函数，计算三维空间的充填开采评价结果，并根据充填开采评价结果评价三维空间的充填效果。本发明专利技术综合各影响因素对三维空间充填效果的影响，实现了对三维空间充填效果的准确评价，为充填开采的安全生产提供了依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法
本专利技术涉及矿业工程领域，具体涉及一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法。
技术介绍
随着我国东部地区煤炭资源的大量开采，剩余煤炭资源多为“三下压煤”，大量优质煤炭资源急需充填开采，为了在提高采出率的同时延长矿井服务年限，充分贯彻绿色发展的战略目标，因此亟需从充填体、工作面围岩及地面三个方面对采煤作业面地下三维空间的充填效果进行综合评价，综合考虑各种影响因素准确分析三维空间的充填效果，为充填开采的安全生产提供更加科学有效的判断依据。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提出了一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法。该方法从充填体、工作面围岩以及地面三个方面对三维空间的充填效果进行综合评价，充分考虑各种因素对三维空间充填效果的影响，有利于三维空间充填效果的准确评价，为充填开采的安全生产提供了有效的判断依据。本专利技术采用以下的技术方案：一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，具体包括以下步骤：步骤1，选取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征作为三维空间充填效果评价参数，根据采煤工作面三维空间充填稳定后的现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，确定充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征；步骤2，根据获得的充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征，分别确定影响充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征的影响因素，得到三维空间充填效果评价参数的影响因素；所述充填体充填质量受等价采厚、充填结石体的物理力学特征和充填程度的影响，其中，等价采厚的影响因素包括顶板超前下沉量、欠接顶量和充填体压实量，充填结石体的物理力学特征的影响因素包括抗压强度、弹性模量和孔隙度，充填程度的影响因素包括充填体应力、顶底板移近量和巷道两帮移近量；所述覆岩运动程度受顶板离层裂隙、工作面侧向支承压力和工作面超前支承压力的影响，其中，顶板离层裂隙的影响因素包括空间裂隙相对面积比、顶板岩层裂隙漏失量和顶板岩层相对位移量，工作面侧向支承压力的影响因素包括孔深5m处的侧向支承压力、孔深10m处的侧向支承压力和孔深15m处的侧向支承压力，工作面超前支承压力的影响因素包括距离工作面20m处的工作面超前支承压力、距离工作面40m处的工作面超前支承压力和距离工作面60m处的工作面超前支承压力；所述地表变形特征的影响因素包括地表下沉、地表倾斜变形、地表水平移动、曲率和地表水平变形；步骤3，基于综合指数熵权法，结合三维空间充填稳定后的现场实际测量结果，分别计算三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重；步骤4，根据三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重，构建三维空间充填开采评价函数；步骤5，根据现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，利用三维空间充填开采评价函数计算三维空间的充填开采评价结果θ，并根据充填开采评价结果对三维空间的充填效果进行评价。优选地，所述步骤3中，三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重计算公式，如式(1)所示：其中，式中，yij为三维空间充填效果评价参数中第i个参数中第j个影响因素所占的比重；m为影响因素总数；ej为第i个参数中第j个影响因素的信息熵；K为常数，wj表示第i个参数中第j个影响因素的权重。优选地，所述步骤4中，具体包括以下步骤：步骤4.1，构建充填体充填质量评价函数α，如式(5)所示：α＝α等价+α物理+α充填(5)其中，等价采厚的隶属度α等价如式(6)所示：式中，α超前为顶板超前下沉量的隶属度，α欠接为欠接顶量的隶属度，α压实为充填体压实量的隶属度；a1为顶板超前下沉量的权重，a2为欠接顶量的权重，a3为充填体压实量的权重；H为开采厚度，单位为m；Δh超前为顶板超前下沉量，单位为m；Δh欠接为欠接顶量，单位为m；Δh压实为充填体压实量，单位为m；充填结石体物理力学特征的隶属度α物理如式(7)所示：式中，αR为抗压强度的隶属度，αE为弹性模量的隶属度，αn为孔隙率的隶属度；b1为抗压强度的权重，b2为弹性模量的权重，b3为孔隙率的权重；R结石为充填结石体的抗压强度，单位为MPa；R煤为煤的抗压强度，单位为MPa；E结石为充填结石体的弹性模量，单位为MPa；n结石为充填结石体的孔隙率；n煤为煤的孔隙率；充填程度的隶属度α充填如式(8)所示：式中，为充填体应力的隶属度，为顶底板移近量的隶属度，为巷道两帮移近量的隶属度；c1为充填体应力的权重，c2为顶底板移近量的权重，c3为巷道两帮移近量的权重；为监测到的最大应力，单位为MPa；为工作面处的垂直地应力，单位为MPa；H为开采厚度，单位为m；ΔH顶底为顶底板移近量，单位为m；W为巷道宽度，单位为m；ΔW两帮为巷道两帮移近量，单位为m；步骤4.2，构建覆岩运动程度评价函数β，如式(9)所示：β＝β离层+β侧向+β超前(9)其中，顶板离层裂隙β离层的隶属度如式(10)所示：式中，βS为空间裂隙相对面积比的隶属度，βV为顶板岩层裂隙漏失量的隶属度，βL为顶板岩层相对位移量的隶属度；d1为空间裂隙相对面积比的权重，d2为顶板岩层裂隙漏失量的权重，d3为顶板岩层相对位移量的权重；S钻孔为两带内的钻孔表面积，单位为m2；S裂隙为两带内的裂隙表面积，单位为m2；Vmax为两带内的阶段最大漏失量，单位为m3；V平均为两带内的阶段平均漏失量，单位为m3；L为两带高度，单位为m；L相对为两带内相对位移量之和，单位为m；工作面侧向支承压力β侧向的隶属度如式(11)所示：式中，β5为孔深5m处侧向支承压力的隶属度，β10为孔深10m处侧向支承压力的隶属度，β15为孔深15m处侧向支承压力的隶属度；e1为孔深5m处侧向支承压力的权重，e2为孔深10m处侧向支承压力的权重，e3为孔深15m处侧向支承压力的权重；Pmax为最大侧向支承压力，单位为MPa；P5为孔深5m处的侧向支承压力，单位为MPa；P10为孔深10m处的侧向支承压力，单位为MPa；P15为孔深15m处的侧向支承压力，单位为MPa；工作面超前支承压力β超前的隶属度如式(12)所示：式中，βC20为距离采煤工作面20m处超前支承压力的隶属度，βC40为距离采煤工作面40m处超前支承压力的隶属度，βC60为距离采煤工作面60m处超前支承压力的隶属度；f1为距离采煤工作面20m处超前支承压力的权重，f2为距离采煤工作面40m处超前支承压力的权重，f3为距离采煤工作面60m处超前支承压力的权重；Nmax为最大超前支承压力，单位为MPa；N20为距离采煤工作面20m处的超前支承压力，单位为MPa；N40为距离采煤工作面40m处的超前支承压力，单位为MPa；N60为距离采煤工作面60m处的超前支承压力，单位为MPa；步骤4.3，构建地表变形特征评价函数γ，如式(13)所示：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/n步骤1，选取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征作为三维空间充填效果评价参数，根据采煤工作面三维空间充填稳定后的现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，确定充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征；/n步骤2，根据获得的充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征，分别确定影响充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征的影响因素，得到三维空间充填效果评价参数的影响因素；/n所述充填体充填质量受等价采厚、充填结石体的物理力学特征和充填程度的影响，其中，等价采厚的影响因素包括顶板超前下沉量、欠接顶量和充填体压实量，充填结石体的物理力学特征的影响因素包括抗压强度、弹性模量和孔隙度，充填程度的影响因素包括充填体应力、顶底板移近量和巷道两帮移近量；/n所述覆岩运动程度受顶板离层裂隙、工作面侧向支承压力和工作面超前支承压力的影响，其中，顶板离层裂隙的影响因素包括空间裂隙相对面积比、顶板岩层裂隙漏失量和顶板岩层相对位移量，工作面侧向支承压力的影响因素包括孔深5m处的侧向支承压力、孔深10m处的侧向支承压力和孔深15m处的侧向支承压力，工作面超前支承压力的影响因素包括距离工作面20m处的工作面超前支承压力、距离工作面40m处的工作面超前支承压力和距离工作面60m处的工作面超前支承压力；/n所述地表变形特征的影响因素包括地表下沉、地表倾斜变形、地表水平移动、曲率和地表水平变形；/n步骤3，基于综合指数熵权法，结合三维空间充填稳定后的现场实际测量结果，分别计算三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重；/n步骤4，根据三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重，构建三维空间充填开采评价函数；/n步骤5，根据现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，利用三维空间充填开采评价函数计算三维空间的充填开采评价结果θ，并根据充填开采评价结果对三维空间的充填效果进行评价。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，选取充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征作为三维空间充填效果评价参数，根据采煤工作面三维空间充填稳定后的现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，确定充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征；
步骤2，根据获得的充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征，分别确定影响充填体充填质量、覆岩运动程度和地表变形特征的影响因素，得到三维空间充填效果评价参数的影响因素；
所述充填体充填质量受等价采厚、充填结石体的物理力学特征和充填程度的影响，其中，等价采厚的影响因素包括顶板超前下沉量、欠接顶量和充填体压实量，充填结石体的物理力学特征的影响因素包括抗压强度、弹性模量和孔隙度，充填程度的影响因素包括充填体应力、顶底板移近量和巷道两帮移近量；
所述覆岩运动程度受顶板离层裂隙、工作面侧向支承压力和工作面超前支承压力的影响，其中，顶板离层裂隙的影响因素包括空间裂隙相对面积比、顶板岩层裂隙漏失量和顶板岩层相对位移量，工作面侧向支承压力的影响因素包括孔深5m处的侧向支承压力、孔深10m处的侧向支承压力和孔深15m处的侧向支承压力，工作面超前支承压力的影响因素包括距离工作面20m处的工作面超前支承压力、距离工作面40m处的工作面超前支承压力和距离工作面60m处的工作面超前支承压力；
所述地表变形特征的影响因素包括地表下沉、地表倾斜变形、地表水平移动、曲率和地表水平变形；
步骤3，基于综合指数熵权法，结合三维空间充填稳定后的现场实际测量结果，分别计算三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重；
步骤4，根据三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重，构建三维空间充填开采评价函数；
步骤5，根据现场实际测量结果、钻孔电视资料和地表监测结果，利用三维空间充填开采评价函数计算三维空间的充填开采评价结果θ，并根据充填开采评价结果对三维空间的充填效果进行评价。


2.根据权利要求1所述的一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，其特征在于，所述步骤3中，三维空间充填效果评价参数中各影响因素的权重计算公式，如式(1)所示：



其中，






式中，yij为三维空间充填效果评价参数中第i个参数中第j个影响因素所占的比重；m为影响因素总数；ej为第i个参数中第j个影响因素的信息熵；K为常数，wj表示第i个参数中第j个影响因素的权重。


3.根据权利要求1所述的一种基于综合指数法的三维空间充填效果评价方法，其特征在于，所述步骤4中，具体包括以下步骤：
步骤4.1，构建充填体充填质量评价函数α，如式(5)所示：
α＝α等价+α物理+α充填(5)
其中，等价采厚的隶属度α等价如式(6)所示：



式中，α超前为顶板超前下沉量的隶属度，α欠接为欠接顶量的隶属度，α压实为充填体压实量的隶属度；a1为顶板超前下沉量的权重，a2为欠接顶量的权重，a3为充填体压实量的权重；H为开采厚度，单位为m；Δh超前为顶板超前下沉量，单位为m；Δh欠接为欠接顶量，单位为m；Δh压实为充填体压实量，单位为m；
充填结石体物理力学特征的隶属度α物理如式(7)所示：



式中，αR为抗压强度的隶属度，αE为弹性模量的隶属度，αn为孔隙率的隶属度；b1为抗压强度的权重，b2为弹性模量的权重，b3为孔隙率的权重；R结石为充填结石体的抗压强度，单位为MPa；R煤为煤的抗压强度，单位为MPa；E结石为充填结石体的弹性模量，单位为MPa；n结石为充填结石体的孔隙率；n煤为煤的孔隙率；
充填程度的隶属度α充填如式(8)所示：



式中，为充填体应力的隶属度，为顶底板移近量的隶属度，为巷道两帮移近量的隶属度；c1为充填体应力的权重，c2为顶底板移近量的权重，c3为巷道两帮移近量的权重；为监测到的最大应力，单位为MPa；为工作面处的垂直地应力，单位为MPa；H为开采厚度，单位为m；ΔH顶底为顶底板移近量，单位为m；W为巷道宽度，单位为m；ΔW两帮为巷道两帮移近量...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉，徐国华，马友夫，林明恒，李杨杨，张士川，张步初，陈兵，郭荣威，颜浩东，孟文航，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32