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申请/专利权人：西安科技大学;西安理工大学

摘要：本发明提供了一种水资源水量‑水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法，包括以下步骤：获取矿区固体充填开采工作面采高M，上覆岩层载荷σ，矸石破碎后最大粒径D，上隔离保护层厚度h1和下隔离保护层厚度h2；测试煤岩体物理力学参数、渗透系数、孔隙率以及不同充实率下重金属离子浸出浓度；得到不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度以及重金属离子扩散距离；确定基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值与基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值；建立最优充实率判别式，确定最优充实率θ优；并计算获取不同矸石粒径级配，确定最优矸石粒径级配c。本发明方法实现了矿区水资源“水量”保护与“水质”保护的有效兼顾。

主权项：1.一种水资源水量-水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获取矿区固体充填开采工作面采高M，上覆岩层载荷σ，矸石破碎后最大粒径D，上隔离保护层厚度h1和下隔离保护层厚度h2；所述的上隔离保护层厚度h1为煤层与顶板含水层之间的距离，下隔离保护层厚度h2为煤层与底板含水层之间的距离；步骤二：采集矿区煤岩体岩样，利用岩石力学实验测试待测煤岩体岩样物理力学参数，所述物理力学参数包括体积模量、剪切模量、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和密度；同时测试煤层与底板含水层之间待测煤岩体岩样的渗透系数和孔隙率；利用电感耦合等离子体发射光谱仪测试不同充实率下矸石充填材料经去离子水浸泡后内部重金属离子的浸出浓度；步骤三：基于步骤一获取的采高M以及步骤二待测煤岩体岩样的物理力学参数，借助UDEC数值模拟软件建立不同充实率下覆岩导水裂隙带发育模型，得到不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度；基于步骤一获取的采高M以及步骤二得到的煤层与底板含水层之间待测煤岩体岩样的渗透系数、孔隙率以及不同充实率下重金属离子浸出浓度，借助COMSOLMultiphysics数值模拟软件建立不同充实率下重金属离子扩散模型，得到不同充实率下重金属离子扩散距离；步骤四：对比上隔离保护层厚度h1与不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度，得到上隔离保护层未被完全破坏时，基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值；对比下隔离保护层厚度h2与不同充实率下重金属离子扩散距离，得到下隔离保护层未被重金属离子贯穿时，基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值；其中，基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值为矿区水资源“水量”尚未受到影响，但覆岩导水裂隙带发育高度趋近于上隔离保护层厚度h1时对应的充实率；基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值为矿区水资源“水质”尚未受到影响，但重金属离子扩散距离趋近于下隔离保护层厚度h2时对应的充实率；步骤五：根据步骤四基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值与基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值建立最优充实率判别关系式：θ1≤θ2；当θ1与θ2的值满足关系式时，确定固体充填工作面的最优充实率为θ优＝θ2，此时仅依靠最优充实率就可达到矿区地下水资源“水量”与“水质”不遭受损伤的目的；当θ1与θ2的值不满足关系式时，确定固体充填工作面的最优充实率为θ优＝θ1，并同时对固体充填工作面采取地下水“水质”保护技术，从而实现矿区水资源“水量”与“水质”的综合保护；其中，地下水“水质”保护技术包括充填材料处理加工技术以及建立隔离层技术；步骤六：基于步骤一得到的矸石破碎后的最大粒径D，利用泰波公式计算得到不同矸石粒径级配，具体公式如下： 式中，P为矸石各粒径的通过率，％；d为矸石中各粒径，mm；D为矸石的最大粒径，mm；n为级配系数，取0.3～0.7；通过计算分别得到n取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7时的矸石粒径级配c1、c2、c3、c4、c5；步骤七：对不同矸石粒径级配进行压缩实验，利用MTS电液伺服试验机对不同矸石粒径级配进行压缩实验，得到不同矸石粒径级配下的应力-应变曲线，并基于步骤一所获取的上覆岩层载荷σ以及步骤五所得到的最优充实率θ优，确定最优矸石粒径级配c。

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