基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法与流程

本发明涉及一种属于地下矿分步式充填采矿的技术领域，尤其是一种基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法。

背景技术：
随着对矿石资源的不断消耗，资源开采的目标越来越多的转向深部、“三下”难采等地下矿产，为寻求利益最大化、成本最小化，规模化开采亦成为矿石开采的研究方向。加之环境要求的不断提高，大阶段矿块嗣后充填采矿技术得到了进一步应用，矿房结构尺寸逐步加大，采装运设备不断更新。对于规模化需求下的大矿房结构参数就需要一种新的综合分析方法来进行计算。不能像以往仅仅拿一个矿房结构参数作为研究对象，也不能仅仅从矿房的顶板或两帮进行单独计算，而是要将整个矿房结构体系作为一个承载系统进行全方位计算考虑。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种结构稳定的基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：按照一、二步矿房分成若干个三铰拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空区；（1）根据矿岩石实际物理力学性质按下述式（Ⅰ）和式（Ⅱ）计算；（Ⅰ）（Ⅱ）其中：hcr为最大阶段高度，m；为矿岩体单轴抗压强度，MPa；k为系数；E为矿岩体的弹性模量，MPa；q为首采矿房上覆岩层作用的均布荷载值，KN/m2；（2）根据式（Ⅰ）计算k值；当k≥2时，一步矿房的宽度值大于二步矿房宽度值；当1＜k＜2时，一步矿房的宽度取值应小于或等于二步矿房宽度值；（3）依据公式（Ⅱ）计算最大阶段高度hcr。本发明所述一步矿房和二步矿房的宽度均为16m～24m。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明将三铰拱超静定结构体、连跨承载系统、附加力引入大结构参数的计算中，通过建立矿房结构体系超静定连跨力学模型，利用空间几何关系和结构体系各部分之间的形变关系，详细剖析结构体系的承载作用，计算矿房跨度和阶段高度，有效合理设计大矿房结构参数。本发明对分步式充填开采矿房结构体，通过几何关系，建立超静定连跨结构体力学模型，从而得到分步式矿房的合理结构参数。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明一步矿房开采前连跨结构示意图；图2是本发明一步矿房开采后连跨结构示意图；图3是本发明连跨结构单元受力分析图；图4是本发明连跨结构单元均布荷载下的三铰拱超静定受力图；图5是本发明连跨结构单元附加力作用下三铰拱超静定受力图；图6是本发明中超静定杆件压杆稳定性分析图。具体实施方式经研究发现，对于超大规模化的急倾斜极厚矿体（一般倾角≥55°，厚度在100m～200m水平厚度），地下首采埋深在300～400m左右，该类矿体矿房长度方向与矿体走向一致，矿块内矿房采取分步式间隔开采，一步和二步矿房的宽度在16m～24m之间，矿房长度一般为50m，矿房高度一般为50m～100m，矿房底部采用堑沟式底部机构，凿岩水平布置在矿房顶部，开凿下向垂直深孔进行侧向爆破崩落矿石。在分步式开采过程中，二步矿房作为支撑结构维护整个矿块结构体系的稳定性，矿块内部一步矿房顶板、二步矿房立柱形成联动的超静定承载系统，顶板矿岩体、立柱矿体、上下盘岩体则构成该系统的内外结构因素。当一步矿房矿体崩落回采后，连跨超静定支撑结构体系成为矿块系统的稳定性关键因素。根据对矿房采场顶板和矿柱顶部的变形和受力观测，存在塑性铰区，证明支撑结构向三铰拱形结构承载模式发展。同时发现，在该结构体系中每3个二步矿房和2个一步矿房可形成一个分析单元体，进行单元超静定结构计算，然后将单元体相邻的单元附加外力进行叠加计算。每个单元的三铰拱形结构可根据矿房顶部凿岩工程顶板结构形式的几何关系近似推算，进而推算矿房跨度结构参数值（矿房宽度）。另外，从空间几何进行分析，将二步矿房考虑成支撑矿柱杆件体系，通过竖向力系对二步矿房杆件体系稳定性的影响，计算分析矿房阶段高度参数值。在司家营田兴铁矿的矿房回采研究表明，本基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法适用于急倾斜极厚矿体，矿体倾角≥55°，水平厚度100m～200m，覆盖岩层应在≥300m，一步和二步矿房的宽度均为16m～24m，矿房长度一般为50m...