充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统技术方案

本发明专利技术提供充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统，能够快速、准确识别充填挡墙的稳定性情况，并精确定位充填挡墙的不稳定区域，有利于挡墙的科学可靠设计和对已有挡墙进行经济有效地加固，切实保证开采安全。计算分析方法包括：步骤1，根据采场中充填挡墙的位置、尺寸参数，以充填挡墙的中性面为基准进行建模和离散；步骤2，确定采场中充填挡墙的边界固定模式；步骤3，获取采场充填相关参数；步骤4，沿着充填挡墙厚度方向计算充填挡墙每个截面上各个离散点两侧的应力，从而得到该截面上的应力分布情况；步骤5，进行稳定性分析判断。加固方法是根据计算分析方法得到的稳定性分布情况，对于不稳定区域模拟设计相应的加固措施进行精确加固。行精确加固。行精确加固。

【技术实现步骤摘要】
充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统


[0001]本专利技术属于基于特定计算模型的计算机系统领域，具体涉及充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统。

技术介绍

[0002]随着充填采矿法在矿山的推广应用，与之相关的充填采矿理论技术得到了广泛研究。其中，充填挡墙的设计是整个工艺的重要组成部分之一，对充填采场的安全起着至关重要的作用。
[0003]现阶段由于充填高度、充填材料参数、充填环境等不同导致充填挡墙稳定性分析较为困难。对于地下充填挡墙在设计阶段的稳定性与否一直是众多学者难以确定的关键问题，在复杂边界条件影响下挡墙稳定性判断难度大，改造成本高。
[0004]现有技术中，分析稳定性时，往往忽略充填环境、不同加固模式对充填挡墙的影响，导致分析结果不准确。并且，在充填挡墙作业过程中，不稳定区域通常仅占挡墙面积的一部分，发生局部失稳，而非整体失稳，现有技术方法均无法找准失稳区域，无法有针对性地进行加固，从而不能合理有效地保证充填挡墙的安全性。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统，能够快速、准确识别充填挡墙的稳定性情况，并精确定位充填挡墙的不稳定区域，有利于挡墙的科学可靠设计和对已有挡墙进行经济有效地加固，切实保证开采安全。
[0006]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：本专利技术提供充填挡墙稳定性计算分析方法，包括以下步骤：步骤1，根据采场中充填挡墙的位置、尺寸参数，以充填挡墙的中性面为基准进行建模，构建充填挡墙三维结构模型并进行离散，得到厚度方向上依次排列的离散点阵列，每个离散点阵列对应厚度方向上一个截面，并且离散点阵列中的所有离散点均对应同一个厚度、不同长度、不同高度位置，形成离散模型，单个离散点的位置坐标为(x,y,z)，x、y、z分别为离散模型的长度、高度、厚度，z=0处为中性面所在位置；步骤2，确定采场中充填挡墙的边界固定模式：模式一为充填挡墙不存在钢筋加固，模式二为充填挡墙存在竖向钢筋加固，模式三为充填挡墙存在横、竖向钢筋加固，模式四为充填挡墙存在横向钢筋加固；步骤3，获取采场充填相关参数：充填料浆容重、充填采场高度、充填挡墙材料的弹性模量；
[0007]步骤4，根据步骤2确定的充填挡墙的边界固定模式，选择相应的充填挡墙稳定性模型，并输入步骤3获取的参数，沿着充填挡墙厚度方向计算步骤1构建的离散模型中充填挡墙每个截面上各个离散点两侧的应力，从而得到该截面上的应力分布情况；
模式一的充填挡墙稳定性模型为：；
[0008]式中，和分别为充填挡墙当前截面的外侧和内侧的应力，为充填挡墙材料的泊松比，为充填挡墙的长度，为充填挡墙的高度，；K=b/a；，h0为充填挡墙的设计厚度或原始厚度；
[0009]模式二的充填挡墙稳定性模型为：；
[0010]模式三的充填挡墙稳定性模型为：
；
[0011]模式四的充填挡墙稳定性模型为：；
[0012]步骤5，稳定性分析判断：步骤5
‑
1，根据步骤4计算的应力σ1和σ2，采用如下公式计算每个离散点两侧的稳定性值F1和F2：；
[0013]式中，为充填挡墙材料的最大抗拉强度；
[0014]步骤5
‑
2，根据和确定离散点的两侧稳定性，当小于0，表明该离散点外侧不稳定；当小于0，表明该离散点内侧不稳定；
[0015]步骤5
‑
3，根据步骤5
‑
1~5
‑
2对截面上各个离散点进行分析判断，进而得到充填挡墙厚度方向上，每个截面两侧的稳定性分布情况，确定不稳定区域位置和范围。
[0016]优选地，本专利技术提供的充填挡墙稳定性计算分析方法，在步骤1中，中性面为充填挡墙厚度一半处的截面，对于中性面两侧结构对称的充填挡墙，仅需对位于中性面任意一侧的挡墙结构进行建模和离散，离散模型仅为充填挡墙的一半；离散模型中，x的取值范围
为0~，y取值范围为0~，z取值范围为0~1/2，设计厚度指的是充填挡墙实际不存在、只是处于设计阶段的预设厚度，原始厚度指的是采场中已经存在的充填挡墙的实际厚度。
[0017]优选地，本专利技术提供的充填挡墙稳定性计算分析方法，步骤4每计算一个离散点的应力，步骤5就进一步计算和判断出该离散点的稳定性。
[0018]优选地，本专利技术提供的充填挡墙稳定性计算分析方法，在步骤5
‑
2中，还根据每个截面上每个离散点的和生成相应的稳定性分布情况图，通过该图显示出每个截面上每个离散点的稳定性及厚度方向上的变化情况。
[0019]优选地，本专利技术提供的充填挡墙稳定性计算分析方法，在步骤5
‑
3中，稳定性分布情况包括：各离散点是否稳定，基于离散点两侧偏离0的正负数值显示出的稳定性具体差异，离散点的位置，不稳定离散点所在的区域范围。
[0020]进一步，本专利技术还提供了基于充填挡墙稳定性计算分析的加固方法，包括以下步骤：步骤I，采用上文“充填挡墙稳定性计算分析方法”中任意一项描述的方法得到充填挡墙的稳定性分布情况；步骤II，根据稳定性分布情况，对于不稳定区域模拟设计相应的加固措施进行精确加固。
[0021]优选地，本专利技术提供的基于充填挡墙稳定性计算分析的加固方法，在步骤II中，当需要加固的充填挡墙处于设计阶段时，加固方式采用：改变充填挡墙材料进而改变弹性模量、改变边界固定模式、增加局部不稳定区域的厚度，三种中的至少一种；当需要加固的充填挡墙为已经存在的充填挡墙时，加固方式采用改变边界固定模式和增加局部不稳定区域的厚度中的至少一种。例如，可以先改变边界固定模式（比如，将模式一改为模式三），改变后再通过对应模式计算分析稳定性，如果改变后稳定性满足要求，则只用这种方式加固即可；当改变边界固定模式后还是不能保证稳定性，则进一步采用增加局部不稳定区域的厚度的加固方式或采用改变充填挡墙材料的方式。
[0022]优选地，本专利技术提供的基于充填挡墙稳定性计算分析的加固方法，在步骤II中，根据充填挡墙的边界固定模式选择相应的局部厚度增加公式，对于不稳定区域上的各个离散点，采用局部厚度增加公式计算应增加的局部厚度；模式一的局部厚度增加公式为：；
[0023]模式二的局部厚度增加公式为：；
[0024]模式三的局部厚度增加公式为：
；
[0025]模式四的局部厚度增加公式为：；
[0026]式中，为充填挡墙材料的最大抗拉强度，h1~h4为四种模式下当前计算的离散点达到稳定状态应该增加的厚度。通过上述局部厚度增加公式可以准确计算应该增加的厚度，然后得到最外侧截面局部（不稳定区域）增加厚度后的形状和尺寸，基于此设计挡墙最终增厚方案。
[0027]优选地，本专利技术提供的基于充填挡墙稳定性计算分析的加固方法，在步骤I中，从充填挡墙的中性面开始往外逐个截面进行计算分析，一旦当前计算分析的截面中单侧超过阈值J%的离散点不稳定，10＜J＜90（J推荐取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.充填挡墙稳定性计算分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据采场中充填挡墙的位置、尺寸参数，以充填挡墙的中性面为基准进行建模，构建充填挡墙三维结构模型并进行离散，得到厚度方向上依次排列的离散点阵列，每个离散点阵列对应厚度方向上一个截面，并且离散点阵列中的所有离散点均对应同一个厚度、不同长度、不同高度位置，形成离散模型，单个离散点的位置坐标为(x,y,z)，x、y、z分别为离散模型的长度、高度、厚度，z=0处为中性面所在位置；步骤2，确定采场中充填挡墙的边界固定模式：模式一为充填挡墙不存在钢筋加固，模式二为充填挡墙存在竖向钢筋加固，模式三为充填挡墙存在横、竖向钢筋加固，模式四为充填挡墙存在横向钢筋加固；步骤3，获取采场充填相关参数：充填料浆容重、充填采场高度、充填挡墙材料的弹性模量；步骤4，根据步骤2确定的充填挡墙的边界固定模式，选择相应的充填挡墙稳定性模型，并输入步骤3获取的参数，沿着充填挡墙厚度方向计算步骤1构建的离散模型中充填挡墙每个截面上各个离散点两侧的应力，从而得到该截面上的应力分布情况；模式一的充填挡墙稳定性模型为：；式中，和分别为充填挡墙当前截面的外侧和内侧的应力，为充填挡墙材料的泊松比，为充填挡墙的长度，为充填挡墙的高度，；K=b/a；，h0为充填挡墙的设计厚度或原始厚度；模式二的充填挡墙稳定性模型为：
；模式三的充填挡墙稳定性模型为：；模式四的充填挡墙稳定性模型为：；步骤5，稳定性分析判断：步骤5
‑
1，根据步骤4计算的应力σ1和σ2，采用如下公式计算每个离散点两侧的稳定性值F1和F2：
；式中，为充填挡墙材料的最大抗拉强度；步骤5
‑
2，根据和确定离散点的两侧稳定性，当小于0，表明该离散点外侧不稳定；当小于0，表明该离散点内侧不稳定；步骤5
‑
3，根据步骤5
‑
1~5
‑
2对截面上各个离散点进行分析判断，进而得到充填挡墙厚度方向上，每个截面两侧的稳定性分布情况，确定不稳定区域位置和范围。2.根据权利要求1所述的充填挡墙稳定性计算分析方法，其特征在于：其中，在步骤1中，中性面为充填挡墙厚度一半处的截面，对于中性面两侧结构对称的充填挡墙，仅需对位于中性面任意一侧的挡墙结构进行建模和离散，离散模型仅为充填挡墙的一半；离散模型中，x的取值范围为0~，y取值范围为0~，z取值范围为0~1/2，设计厚度指的是充填挡墙实际不存在、只是处于设计阶段的预设厚度，原始厚度指的是采场中已经存在的充填挡墙的实际厚度。3.根据权利要求1所述的充填挡墙稳定性计算分析方法，其特征在于：其中，步骤4每计算一个离散点的应力，步骤5就进一步计算和判断出该离散点的稳定性。4.根据权利要求1所述的充填挡墙稳定性计算分析方法，其特征在于：其中，在步骤5
‑
2中，还根据每个截面上每个离散点的和生成相应的稳定性分布情况图，通过该图显示出每个截面上每个离散点的稳定性及厚度方向上的变化情况。5.根据权利要求1所述的充填挡墙稳定性计算分析方法，其特征在于：其中，在步骤5
‑
3中，稳定性分布情况包括：各离散点是否稳定，基于离散点两侧偏离0的正负数值显示出的稳定性具体差异，离散点的位置，不稳定离散点所在的区域范围。6.基于充填挡墙稳定性计算分析的加固方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤I，采用权利要求1~5中任意一项所述的充填挡墙稳定性计算分析方法得到充填挡墙的稳定性分布情况；步骤II，根据稳定性分布情况，对于不稳定区域模拟设计相应的加固措施进行精确加固。7.根据权利要求6所述的基于充填挡墙稳定性计算分析的加固方法，其特征在于：其中，在步骤II中，当需要加固的充填挡墙处于设计阶段时，加固方式采用：改变充填挡墙材料进而改变弹性模量、改变边界固定模式、增加局部不稳定区域的厚度，三种中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：程爱平，殷瑛，杜澳宇，王平，张增贵，张国权，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：