充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：本发明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；
7.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：；
8.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；
9.模式二的充填挡墙稳定性模型为：；
10.模式三的充填挡墙稳定性模型为：
；
11.模式四的充填挡墙稳定性模型为：；
12.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：；
13.式中，为充填挡墙材料的最大抗拉强度；
14.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；
15.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。
16.优选地，本发明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。
17.优选地，本发明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。
18.优选地，本发明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。
19.优选地，本发明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。
20.进一步，本发明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。
21.优选地，本发明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。
22.优选地，本发明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：；
23.模式二的局部厚度增加公式为：；
24.模式三的局部厚度增加公式为：
；
25.模式四的局部厚度增加公式为：；
26.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。
27.优选地，本发明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推荐取值为30~40），停止计算分析，此时充填挡墙已经处于不稳定状态，直接进入步骤ii；在步骤ii中，进一步判断当前超阈值的截面是否为最外侧截面，如果是，则对不稳定区域进行局部加固；如如果否，则选择改变边界固定模式（改为更牢固的固定模式，若无法改变边界固定模式或者当前已经处于了最牢固的固定模式，则直接进行挡墙整体加固增厚）或进行挡墙整体加固增厚，然后再重新执行步骤i和ii；在步骤ii中，对于中性面两侧结构对称的充填挡墙，在局部加固的情况下，是根据计算分析的一个最外侧截面的和确定充填挡墙厚度方向上的两侧壁的局部加固情况：根据确定该最外侧截面上各个离散点的局部加固厚度，并根据，确定厚度方向上与该最外侧截面对称的另一个最外侧截面上各个离散点的局部加固厚度。这样做可以更加高效地分析确定充填挡墙的稳定性和提出合理的加固方案。
28.更进一步，本发明还提供了充填挡墙稳定性计算分析系统，能够自动实现以上方法，包括：离散模型构建部，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；模式确定部，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；参数获取部，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；
29.应力分布计算部，根据模式确定部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，并输入参数获取部获取的参数，沿着充填挡墙厚度方向计算离散模型构建部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：；
30.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；
31.模式二的充填挡墙稳定性模型为：；
32.模式三的充填挡墙稳定性模型为：
；
33.模式四的充填挡墙稳定性模型为：；
34.分析判断部，根据步骤5-1~5-3进行稳定性分析判断；步骤5-1，根据应力分布计算部计算的应力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：；
35.式中，为充填挡墙材料的最大抗拉强度；
36.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；
37.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；控制部，与离散模型构建部、模式确定部、参数获取部、应力分布计算部、分析判断部均通信相连，控制他们的运行。
38.优选地，本发明提供的充填挡墙稳定性计算分析系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
39.优选地，本发明提供的充填挡墙稳定性计算分析系统，还可以包括：加固设计部，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设计。
40.发明的作用与效果本发明提供的充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统，充分考虑了充填环境、不同加固模式对充填挡墙的影响，并且提出了用于准确计算和分析稳定性的稳定性模型和计算公式，能够针对不同边界固定模式，选择相应的充填挡墙稳定性模型计算应力分布情况，然后基于稳定性值f1和f2对充填挡墙离散模型中每个截面上每个离散点进行稳定性分析判断，从而快速、准确地识别充填挡墙上各个位置的稳定性情况，并精确定位不稳定区域，从而能够对特定的局部不稳定区域进行有针对性地进行局部加固（采场中充填挡墙已存在的情况下）或者局部加固设计（充填挡墙处于设计阶段的情况下），科学、合理地保证充填挡墙的安全性，减少不必要的成本投入。
附图说明
41.图 1 为本发明实施例涉及的采场环境及充填挡墙设置位置的示意图；图 2 为本发明实施例涉及的充填挡墙的三维结构模型图；图 3 为本发明实施例涉及的基于模式三充填挡墙稳定性模型计算的截面外侧、内侧的应力分布情况示意图；图 4 为本发明实施例涉及的同一充填挡墙中多个连续的截面在不同边界固定模式下计算的外侧应力分布情况示意图（仅显示出了一部分的截面情况），从上至下（a）~（d）依次为模式一至模式四；
42.图 5 为本发明实施例涉及的同一充填挡墙多个连续的截面在不同边界固定模式下计算的内侧应力分布情况示意图（仅显示出了一部分的截面情况），从上至下（a）~（d）依次为模式一至模式四；
43.图 6 为本发明实施例涉及的截面外侧、内侧的稳定性分布情况示意图；图 7 为本发明实施例涉及的充填挡墙最外侧截面的外侧、内侧计算得到的应力分布情况示意图；图 8 为本发明实施例涉及的充填挡墙最外侧截面的外侧、内侧计算得到的稳定性分布情况示意图；图 9 为本发明实施例涉及的位于中性面一侧的挡墙结构（一半的充填挡墙）的模型图；图 10 为本发明实施例涉及的充填挡墙两个最外侧截面（在厚度方向上充填挡墙立体结构的左右侧外壁面）的加固模型示意图；图 11 为本发明实施例涉及的充填挡墙两个最外侧截面的加固方案受力情况验证图。
具体实施方式
44.以下结合附图对本发明涉及的充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
45.如图1所示，某采场中，充填挡墙的长=3.2m，高=3.0m，充填挡墙厚度充填挡墙
厚度=0.2m，充填挡墙采用混凝土，弹性模量=0.58gpa，泊松比=0.2，最大抗拉强度σ
tmax
=0.35mpa，充填挡墙存在横、竖向钢筋加固。充填料浆容重=2000kn/m3、充填采场高度=7m。本实施例中，采用上述本发明所提供的充填挡墙稳定性计算分析方法，计算分析充填挡墙的稳定性，具体为：
46.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。
47.如图2所示，充填挡墙通常都为长方体状，中性面为充填挡墙厚度一半处的截面，中性面两侧结构对称，因此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。在离散模型中，x的取值范围为0~，y取值范围为0~，z取值范围为0~1/2。
48.对模型在三维空间内进行离散，离散情况如下所示：在z=0中性面上离散后形成的离散点阵列为：；
49.同理，在z=-0.1~0.1进行同样的离散处理得到各截面的离散点阵列。
50.例如，在z=0.1上的离散情况如下：；
51.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。
52.本实施例中，充填挡墙存在横、竖向钢筋加固，属于模式三。
53.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。
54.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。
55.模式一的充填挡墙稳定性模型为：
；
56.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；
57.模式二的充填挡墙稳定性模型为：；
58.模式三的充填挡墙稳定性模型为：
；
59.模式四的充填挡墙稳定性模型为：；
60.本实施例中，根据步骤2应采用模式三的充填挡墙稳定性模型进行计算，得到的其中一个截面的外侧（计算得到）和内侧（计算得到）的应力分布情况如图3所示，图4（c）为不同截面外侧的应力分布情况，图5（c）为不同截面内侧的应力分布情况。
61.另外，如图4（a）~（d）和5（a）~（d）所示，不同模式下截面的两侧的应力分布情况存在明显差异，因此需要先确定边界固定模式，然后根据相应模式下的充填挡墙稳定性模型进行计算。
62.步骤5，进行稳定性分析判断。
63.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：；
64.式中，为充填挡墙材料的最大抗拉强度。
65.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。
66.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。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。
67.如图6所示，本实施例中，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，外侧图中的中心饼状区域和内侧图中边缘四个小弧形区域对应的值小于0，为不稳定区域（由各个不稳定的离散点形成）。
68.在上述过程中，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。
69.根据图3、图4（c）、图5（c）和图6可知，充填挡墙存在局部不稳定区域，需要进行加固。进一步，本实施例基于以上充填挡墙的稳定性分布情况，采用本发明提供的加固方法对充填挡墙进行加固设计：步骤i，采用以上步骤1~5得到充填挡墙的稳定性分布情况。
70.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，停止计算分析，此时充填挡墙已经处于不稳定状态，直接进入步骤ii。本实施例中，j=40。
71.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。当需要加固的充填挡墙处于设计阶段时，加固方式可以采用：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。
72.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。
73.模式一的局部厚度增加公式为：；
74.模式二的局部厚度增加公式为：；
75.模式三的局部厚度增加公式为：；
76.模式四的局部厚度增加公式为：
；
77.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。
78.在步骤ii中，进一步判断当前超阈值的截面是否为最外侧截面，如果是，则对不稳定区域进行局部加固；如果否，则选择改变边界固定模式或进行挡墙整体加固增厚，然后再重新执行步骤i和ii。另外，对于充填料浆容重可以调整的情况，也可以改变充填料浆容重，然后重新执行步骤i和ii。
79.对于中性面两侧结构对称的充填挡墙，在局部加固的情况下，是根据计算分析的一个最外侧截面的和确定充填挡墙厚度方向上的两侧壁的局部加固情况：根据确定该最外侧截面上各个离散点的局部加固厚度，并根据，确定厚度方向上与该最外侧截面对称的另一个最外侧截面上各个离散点的局部加固厚度。
80.本实施例中，为已经存在的充填挡墙，且无法更换为更加牢固的固定模式，因此可采用的加固方式为增加局部不稳定区域。如图7和8所示，为充填挡墙一个最外侧截面（记为充填挡墙的右侧外壁面）的内外侧应力分布和稳定性情况。如图8所示，根据稳定性情况可知，充填挡墙的最外侧截面，外侧中部类似四角星形状的区域为不稳定区域（由计算得到），内侧四边缘处的弧形区域为不稳定区域（由计算得到）。
81.因此，对图9所示的一半的充填挡墙模型进行加固设计，采用步骤ii计算不稳定区域上的各个离散点应增加的局部厚度，得到图10所示加固模型（加固方案），确定右侧外壁面上各个离散点的局部加固厚度得到外侧加固方案，确定左侧外壁面上各个离散点的局部加固厚度得到内侧加固方案。如图11所示，经验证，图10的加固方案可以使得充填挡墙的应力均匀分布，且都不超过失稳值，有效保证充填挡墙的稳定性。
82.根据图10的加固方案，在对充填挡墙加固时，可以采用速干喷射混凝土成型，或者用木板做模具辅助成型，还可以以加固方案为基础，调整形状为更容易实施的规则形状，例如将外侧形状轮廓调整为方形进行加固。
83.另外，本实施例还提供能够自动实现上述方法，对充填挡墙稳定性计算分析和加固设计的系统，该系统包括离散模型构建部、模式确定部、参数获取部、应力分布计算部、分析判断部、加固设计部、输入显示部、控制部。
84.离散模型构建部执行上文步骤1所描述的内容，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。
85.模式确定部执行上文步骤2所描述的内容，确定采场中充填挡墙的边界固定模式。
86.参数获取部执行上文步骤3所描述的内容，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。
87.应力分布计算部执行上文步骤4所描述的内容，根据模式确定部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，并输入参数获取部获取的参数，沿着充填挡墙厚度方向计算离散模型构建部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。
88.分析判断部执行上文步骤5所描述的内容，根据步骤5-1~5-3进行稳定性分析判断。
89.加固设计部执行上文步骤ii所描述的内容，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设计。
90.输入显示部与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并对各个部的输入、输出、中间处理数据进行相应显示。例如，跟相应的操作指令显示出图1~11。
91.控制部与离散模型构建部、模式确定部、参数获取部、应力分布计算部、分析判断部、加固设计部、输入显示部均通信相连，控制他们的运行。
92.以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的充填挡墙稳定性计算分析、加固方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

技术特征：
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。8.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，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：
；模式二的局部厚度增加公式为：；模式三的局部厚度增加公式为：；模式四的局部厚度增加公式为：；式中，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。9.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，停止计算分析，此时充填挡墙已经处于不稳定状态，直接进入步骤ii；在步骤ii中，进一步判断当前超阈值的截面是否为最外侧截面，如果是，则对不稳定区域进行局部加固；如果否，则选择改变边界固定模式或进行挡墙整体加固增厚，然后再重新执行步骤i和ii；在步骤ii中，对于中性面两侧结构对称的充填挡墙，在局部加固的情况下，是根据计算分析的一个最外侧截面的和确定充填挡墙厚度方向上的两侧壁的局部加固情况：根据确定该最外侧截面上各个离散点的局部加固厚度，并根据，确定厚度方向上与该最外侧截面对称的另一个最外侧截面上各个离散点的局部加固厚度。10.充填挡墙稳定性计算分析系统，其特征在于，包括：离散模型构建部，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；模式确定部，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；参数获取部，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；应力分布计算部，根据模式确定部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，并输入参数获取部获取的参数，沿着充填挡墙厚度方向计算离散模型构
建部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：；分析判断部，根据步骤5-1~5-3进行稳定性分析判断；步骤5-1，根据应力分布计算部计算的应力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；控制部，与离散模型构建部、模式确定部、参数获取部、应力分布计算部、分析判断部均通信相连，控制他们的运行。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：程爱平 殷瑛 杜澳宇 王平 张增贵 张国权
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/6