本發(fā)明涉及一種充填開采回收房式煤柱的確定方法，特別是一種適用于回收房式煤柱的人工礦柱尺寸和間距的確定方法。

背景技術(shù)：

我國西部礦區(qū)以儲量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、地質(zhì)構(gòu)造簡單和開采條件優(yōu)越而備受國內(nèi)外關(guān)注，上世紀(jì)八十年代起，全國煤炭市場疲軟，該區(qū)域很多地方煤礦開采大量采用生產(chǎn)成本相對較低的“房柱式”或“殘柱式”打眼放炮采煤方法，生產(chǎn)技術(shù)裝備水平低和生產(chǎn)工藝落后，以掘代采，采掘不分，這些煤礦經(jīng)過多年的開采，留下了大量的房柱式采空區(qū)，這些遺留房式煤柱一方面會造成國家資源的極大浪費，另一方面，由于長期載荷的作用，煤柱強度弱化問題越來越凸現(xiàn)，給當(dāng)?shù)貛泶罅康碾[患。

近來年對著固體充填開采技術(shù)在解決“三下”壓煤問題的作用日益顯著，采用膠結(jié)材料構(gòu)筑人工礦柱配合采用固體充填采煤技術(shù)為回收房式煤柱，控制地表下沉提供了可行方法。目前采用混凝土澆筑人工礦柱代替原生礦柱回采礦體的房柱法還缺少大量的現(xiàn)場試驗和成熟的理論指導(dǎo)，對于房柱采礦法礦柱極限承載力和結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究大多數(shù)停留在對原生礦柱的研究。如何確定人工礦柱的合理尺寸和間距是該項技術(shù)的核心，可以實現(xiàn)經(jīng)濟高效的回收房式煤柱，這對于我國西部礦區(qū)進(jìn)一步提高煤炭資源采出率、改善巖層移動變形與破壞狀況、保障礦井安全生產(chǎn)和推進(jìn)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有回收采空區(qū)遺留的房式煤柱技術(shù)存在的問題，提供一種方法簡單、合理可靠、準(zhǔn)確的用于回收房式煤柱的人工礦柱尺寸和間距的確定方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的回收房式煤柱的人工礦柱尺寸和間距的確定方法：在回收房式煤柱過程中，將房式煤柱對上方頂板的支護過程分為人工礦柱單獨支護頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段；根據(jù)力的平衡原理和溫克爾地基模型分別針對兩個不同階段的支護特點，建立人工礦柱單獨支護頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段的力學(xué)模型，得出人工礦柱的受力情況，根據(jù)人工礦柱所受載荷應(yīng)小于其許用應(yīng)力[σ₁]的判別準(zhǔn)則，繪制出人工礦柱單獨支護頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱尺寸a×a和人工礦柱間距l(xiāng)的關(guān)系圖，選取斜率較大的曲線作為選擇人工礦柱尺寸a×a和人工礦柱間距l(xiāng)的曲線，最終根據(jù)房式煤柱設(shè)計原則從曲線上確定人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)的大小。

所述的人工礦柱單獨支護頂板階段的力學(xué)模型建立：

a.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷q₁，則在人工礦柱單獨支護頂板階段，人工礦柱受到頂板的作用力F表示為：

F＝q₁(l+a)

式中：a—人工礦柱的寬度，m；

l—人工礦柱的間距，m；

b.對構(gòu)筑人工礦柱的膠結(jié)充填材料進(jìn)行強度測試，測得人工礦柱許用應(yīng)力[σ₁]；

c.將上覆巖層對人工礦柱的作用力視為均布載荷，則根據(jù)人工礦柱所受最大應(yīng)力σ_max應(yīng)小于人工礦柱許用應(yīng)力的判別準(zhǔn)則，得到人工礦柱尺寸和人工礦柱間距l(xiāng)與人工礦柱許用最大應(yīng)力的關(guān)系為：

即：

d.繪制人工礦柱單獨支護頂板階段，人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖。

所述的人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段的力學(xué)模型建立：

a.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷q₂，頂板與房式采空區(qū)充填體間的壓力為p_(x)，人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱對頂板的作用力為F₁，根據(jù)溫克爾彈性地基模型建立以下方程：

其中：p_(x)＝k₁w_(x)

式中：EI—抗彎剛度；E—房式采空區(qū)充填體的彈性模量；I—橫截面對彎曲中性軸的軸慣性矩；k₁—房式采空區(qū)充填體地基系數(shù)，根據(jù)房式采空區(qū)充填體的彈性模量E求出；

則有：

求解上述微分方程可得出房式采空區(qū)充填體的撓度w_(x)為：

則房式采空區(qū)充填體對頂板的作用力：

由力的平衡原理可知人工礦柱對頂板的作用力：

b.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷，則根據(jù)人工礦柱所受最大應(yīng)力應(yīng)小于人工礦柱許用應(yīng)力的判別準(zhǔn)則，得到人工礦柱尺寸和間距與人工礦柱許用應(yīng)力的關(guān)系為：

c.繪制人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖。

當(dāng)從曲線中選取的人工礦柱間距l(xiāng)小于20m時，對應(yīng)的人工礦柱寬度的最大整數(shù)值作為人工礦柱寬度，人工礦柱高度與房式煤柱高度一致。

有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明能準(zhǔn)確地得出在開采過程中人工礦柱的合理尺寸和間距，既保證了回收煤柱的高效性，又能及時對煤柱上方頂板產(chǎn)生支撐作用，控制地表下沉，避免事故的發(fā)生。這對于我國西部礦區(qū)進(jìn)一步提高煤炭資源采出率、改善巖層移動變形與破壞狀況、保障礦井安全生產(chǎn)和推進(jìn)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義，對于我國房式煤柱安全回采基礎(chǔ)理論的發(fā)展也具有重要的影響，其理論與工程意義顯著。對于采用充填開采回收房式煤柱過程中人工礦柱的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。其方法簡單易行，準(zhǔn)確性高，具有廣泛的實用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的人工礦柱協(xié)同固體充填回收房式煤柱示意圖。

圖2a為本發(fā)明的人工礦柱單獨支護頂板階段力學(xué)模型圖。

圖2b為本發(fā)明的人工礦柱單獨支護頂板階段力學(xué)分析圖。

圖3為本發(fā)明的人工礦柱支護階段人工礦柱間距和尺寸關(guān)系圖。

圖4a為本發(fā)明的聯(lián)合支護頂板階段力學(xué)模型圖。

圖4b為本發(fā)明的聯(lián)合支護頂板階段力學(xué)分析圖。

圖5為本發(fā)明的聯(lián)合支護階段人工礦柱間距和尺寸關(guān)系圖。

具體實施方式

本發(fā)明的回收房式煤柱的人工礦柱尺寸和間距的確定方法：在回收房式煤柱過程中，將房式煤柱對上方頂板的支護過程分為人工礦柱單獨支護頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段；根據(jù)力的平衡原理和溫克爾地基模型分別針對兩個不同階段的支護特點，建立人工礦柱單獨支護頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段的力學(xué)模型，得出人工礦柱的受力情況，根據(jù)人工礦柱所受載荷應(yīng)小于其許用應(yīng)力[σ₁]的判別準(zhǔn)則，繪制出人工礦柱單獨支護頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱尺寸a×a和人工礦柱間距l(xiāng)的關(guān)系圖，選取斜率較大的曲線作為選擇人工礦柱尺寸a×a和人工礦柱間距l(xiāng)的曲線，最終根據(jù)房式煤柱設(shè)計原則從曲線上確定人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)的大小。當(dāng)從曲線中選取的人工礦柱間距l(xiāng)小于20m時，對應(yīng)的人工礦柱寬度的最大整數(shù)值作為人工礦柱寬度，人工礦柱高度與房式煤柱高度一致。

所述的人工礦柱單獨支護頂板階段的力學(xué)模型建立：

a.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷q₁，則在人工礦柱單獨支護頂板階段，人工礦柱受到頂板的作用力F表示為：

F＝q₁(l+a)

式中：a—人工礦柱的寬度，m；

l—人工礦柱的間距，m；

b.對構(gòu)筑人工礦柱的膠結(jié)充填材料進(jìn)行強度測試，測得人工礦柱許用應(yīng)力[σ₁]；

c.將上覆巖層對人工礦柱的作用力視為均布載荷，則根據(jù)人工礦柱所受最大應(yīng)力σ_max應(yīng)小于人工礦柱許用應(yīng)力的判別準(zhǔn)則，得到人工礦柱尺寸和人工礦柱間距l(xiāng)與人工礦柱許用最大應(yīng)力的關(guān)系為：

即：

d.繪制人工礦柱單獨支護頂板階段，人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖。

所述的人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段的力學(xué)模型建立：

a.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷q₂，頂板與房式采空區(qū)充填體間的壓力為p_(x)，人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱對頂板的作用力為F₁，根據(jù)溫克爾彈性地基模型建立以下方程：

其中：p_(x)＝k₁w_(x)

式中：EI—抗彎剛度；E—房式采空區(qū)充填體的彈性模量；I—橫截面對彎曲中性軸的軸慣性矩；k₁—房式采空區(qū)充填體地基系數(shù)，根據(jù)房式采空區(qū)充填體的彈性模量E求出；

則有：

求解上述微分方程可得出房式采空區(qū)充填體的撓度w_(x)為：

則房式采空區(qū)充填體對頂板的作用力：

由力的平衡原理可知人工礦柱對頂板的作用力：

b.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷，則根據(jù)人工礦柱所受最大應(yīng)力應(yīng)小于人工礦柱許用應(yīng)力的判別準(zhǔn)則，得到人工礦柱尺寸和間距與人工礦柱許用應(yīng)力的關(guān)系為：

c.繪制人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖。

下面結(jié)合附圖中的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的回收房式煤柱的人工礦柱尺寸和間距的確定方法，以西北地區(qū)某礦采用人工礦柱協(xié)同固體充填回收房式煤柱作為例，根據(jù)該礦地質(zhì)條件對人工礦柱的布置及尺寸進(jìn)行研究：已知該礦房式煤柱高為5.3m，直接頂厚度為4.8m，根據(jù)巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)基本實驗可得頂板彈性模量為25.8GPa，人工礦柱許用應(yīng)力[σ₁]為3MPa，煤的彈性模量為14GPa；在人工礦柱單獨支護頂板階段，根據(jù)采動影響范圍取均布載荷為q₁＝2MPa，而在人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段，取均布載荷為q₂＝2.5MPa；

(1)人工礦柱單獨支護頂板階段的力學(xué)模型建立方法如下：

a.在人工礦柱單獨支護頂板階段，即煤柱回收初期，由于頂板下沉量較小，尚未接觸固體充填材料，此時煤層上覆巖層壓力主要由人工礦柱承擔(dān)，將人工礦柱間的直接頂簡化為兩端簡支梁，則將人工礦柱-直接頂?shù)牧W(xué)模型和力學(xué)分析圖分別如圖2a和圖2b所示；

將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷q₁，則人工礦柱受到頂板的作用力F可表示為：

F＝q₁(l+a)

式中：a—人工礦柱的寬度，m；

l—人工礦柱的間距，m；

b.通過對構(gòu)筑人工礦柱的膠結(jié)充填材料進(jìn)行強度測試，得到人工礦柱許用應(yīng)力[σ₁]＝3MPa；

c.將人工礦柱上覆作用力看作均布載荷，則根據(jù)人工礦柱所受最大應(yīng)力應(yīng)小于礦柱許用應(yīng)力的判別準(zhǔn)則，得到人工礦柱尺寸和間距與人工礦柱許用應(yīng)力的關(guān)系為：

即：

進(jìn)一步化簡可得：l＝1.5a²-a；

d.根據(jù)上述人工礦柱尺寸和間距與人工礦柱許用應(yīng)力的關(guān)系繪制出人工礦柱單獨支護頂板階段人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖，如圖3所示；

(2)人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段的力學(xué)模型建立：

a.隨著房式煤柱的不斷回收，頂板懸空面積變大，直接頂承受上覆載荷也越來越大，導(dǎo)致頂板的撓度也逐漸增大，當(dāng)頂板與房式采空區(qū)充填體接觸時，固體充填材料被逐步壓實并產(chǎn)生對頂板的支持力，采煤作業(yè)空間由單一的人工礦柱支撐階段轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯さV柱和房式采空區(qū)充填體聯(lián)合支撐階段；此時，將直接頂承受的上覆巖層重量看作為均布載荷，人工礦柱-房式采空區(qū)充填體-直接頂?shù)牧W(xué)模型和力學(xué)分析圖分別簡化為如圖4a和圖4b所示；

將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷q₂，頂板與房式采空區(qū)充填體間的壓力為p_(x)，F(xiàn)₁為人工礦柱對頂板的作用力。根據(jù)溫克爾彈性地基模型建立以下方程：

其中：EI—抗彎剛度；

E—房式采空區(qū)充填體的彈性模量；

I—橫截面對彎曲中性軸的軸慣性矩；

p_(x)＝k₁w_(x)

式中：k₁—房式采空區(qū)充填體地基系數(shù)，根據(jù)充填體的彈性模量E求出。

則

求解上述微分方程可得出房式采空區(qū)充填體的撓度w_(x)為：

則房式采空區(qū)充填體對頂板的作用力：

由力的平衡原理可知人工礦柱對頂板的作用力：

式中a—人工礦柱的寬度，m；

l—人工礦柱的間距，m；

k₁—房式采空區(qū)充填體地基系數(shù)，根據(jù)充填體的彈性模量E求出；

A、B、C、D—四階常系數(shù)線性非齊次微分方程的待定系數(shù)，可由給定邊界條件算出。

b.將直接頂承受的上覆巖層作用力設(shè)置為均布載荷，則根據(jù)人工礦柱所受最大應(yīng)力σ_max應(yīng)小于礦柱許用應(yīng)力[σ₁]的判別準(zhǔn)則，得到人工礦柱尺寸和間距與人工礦柱許用應(yīng)力的關(guān)系為：

c.采用Maple求解上式可得人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱間距和尺寸的關(guān)系圖，如圖5所示。

(3)通過比較圖3：人工礦柱單獨支護頂板階段人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖與圖5：人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護階段人工礦柱寬度a和人工礦柱間距l(xiāng)之間的關(guān)系圖。選取斜率較大的曲線作為選擇人工礦柱寬度和間距的曲線，即選取人工礦柱寬度a相同條件下，人工礦柱間距l(xiāng)較大的曲線。進(jìn)而選擇圖5作為挑選人工礦柱寬度和間距的曲線。由于煤房設(shè)計原則中煤房長度15-20m，且要求尺寸盡量規(guī)整以便于施工。所以從圖5曲線中選取人工礦柱間距小于20m時，對應(yīng)的人工礦柱寬度的最大整數(shù)值作為人工礦柱寬度。最終選取當(dāng)人工礦柱尺寸為4m×4m時，人工礦柱允許間距達(dá)到16m，人工礦柱高度與房式煤柱高度一樣均是5.3m。