一种回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法与流程

本发明涉及一种充填开采回收房式煤柱的确定方法，特别是一种适用于回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法。

背景技术：

我国西部矿区以储量丰富、煤质优良、地质构造简单和开采条件优越而备受国内外关注，上世纪八十年代起，全国煤炭市场疲软，该区域很多地方煤矿开采大量采用生产成本相对较低的“房柱式”或“残柱式”打眼放炮采煤方法，生产技术装备水平低和生产工艺落后，以掘代采，采掘不分，这些煤矿经过多年的开采，留下了大量的房柱式采空区，这些遗留房式煤柱一方面会造成国家资源的极大浪费，另一方面，由于长期载荷的作用，煤柱强度弱化问题越来越凸现，给当地带来大量的隐患。

近来年对着固体充填开采技术在解决“三下”压煤问题的作用日益显著，采用胶结材料构筑人工矿柱配合采用固体充填采煤技术为回收房式煤柱，控制地表下沉提供了可行方法。目前采用混凝土浇筑人工矿柱代替原生矿柱回采矿体的房柱法还缺少大量的现场试验和成熟的理论指导，对于房柱采矿法矿柱极限承载力和结构参数的研究大多数停留在对原生矿柱的研究。如何确定人工矿柱的合理尺寸和间距是该项技术的核心，可以实现经济高效的回收房式煤柱，这对于我国西部矿区进一步提高煤炭资源采出率、改善岩层移动变形与破坏状况、保障矿井安全生产和推进环境协调发展具有重要意义。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是针对现有回收采空区遗留的房式煤柱技术存在的问题，提供一种方法简单、合理可靠、准确的用于回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法。

技术方案：本发明的回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法：在回收房式煤柱过程中，将房式煤柱对上方顶板的支护过程分为人工矿柱单独支护顶板阶段和人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段；根据力的平衡原理和温克尔地基模型分别针对两个不同阶段的支护特点，建立人工矿柱单独支护顶板阶段和人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段的力学模型，得出人工矿柱的受力情况，根据人工矿柱所受载荷应小于其许用应力[σ₁]的判别准则，绘制出人工矿柱单独支护顶板阶段和人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱尺寸a×a和人工矿柱间距l的关系图，选取斜率较大的曲线作为选择人工矿柱尺寸a×a和人工矿柱间距l的曲线，最终根据房式煤柱设计原则从曲线上确定人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l的大小。

所述的人工矿柱单独支护顶板阶段的力学模型建立：

a.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷q₁，则在人工矿柱单独支护顶板阶段，人工矿柱受到顶板的作用力F表示为：

F＝q₁(l+a)

式中：a—人工矿柱的宽度，m；

l—人工矿柱的间距，m；

b.对构筑人工矿柱的胶结充填材料进行强度测试，测得人工矿柱许用应力[σ₁]；

c.将上覆岩层对人工矿柱的作用力视为均布载荷，则根据人工矿柱所受最大应力σ_max应小于人工矿柱许用应力的判别准则，得到人工矿柱尺寸和人工矿柱间距l与人工矿柱许用最大应力的关系为：

即：

d.绘制人工矿柱单独支护顶板阶段，人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图。

所述的人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段的力学模型建立：

a.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷q₂，顶板与房式采空区充填体间的压力为p_(x)，人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱对顶板的作用力为F₁，根据温克尔弹性地基模型建立以下方程：

其中：p_(x)＝k₁w_(x)

式中：EI—抗弯刚度；E—房式采空区充填体的弹性模量；I—横截面对弯曲中性轴的轴惯性矩；k₁—房式采空区充填体地基系数，根据房式采空区充填体的弹性模量E求出；

则有：

求解上述微分方程可得出房式采空区充填体的挠度w_(x)为：

则房式采空区充填体对顶板的作用力：

由力的平衡原理可知人工矿柱对顶板的作用力：

b.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷，则根据人工矿柱所受最大应力应小于人工矿柱许用应力的判别准则，得到人工矿柱尺寸和间距与人工矿柱许用应力的关系为：

c.绘制人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图。

当从曲线中选取的人工矿柱间距l小于20m时，对应的人工矿柱宽度的最大整数值作为人工矿柱宽度，人工矿柱高度与房式煤柱高度一致。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能准确地得出在开采过程中人工矿柱的合理尺寸和间距，既保证了回收煤柱的高效性，又能及时对煤柱上方顶板产生支撑作用，控制地表下沉，避免事故的发生。这对于我国西部矿区进一步提高煤炭资源采出率、改善岩层移动变形与破坏状况、保障矿井安全生产和推进环境协调发展具有重要意义，对于我国房式煤柱安全回采基础理论的发展也具有重要的影响，其理论与工程意义显著。对于采用充填开采回收房式煤柱过程中人工矿柱的设计具有指导意义。其方法简单易行，准确性高，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的人工矿柱协同固体充填回收房式煤柱示意图。

图2a为本发明的人工矿柱单独支护顶板阶段力学模型图。

图2b为本发明的人工矿柱单独支护顶板阶段力学分析图。

图3为本发明的人工矿柱支护阶段人工矿柱间距和尺寸关系图。

图4a为本发明的联合支护顶板阶段力学模型图。

图4b为本发明的联合支护顶板阶段力学分析图。

图5为本发明的联合支护阶段人工矿柱间距和尺寸关系图。

具体实施方式

本发明的回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法：在回收房式煤柱过程中，将房式煤柱对上方顶板的支护过程分为人工矿柱单独支护顶板阶段和人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段；根据力的平衡原理和温克尔地基模型分别针对两个不同阶段的支护特点，建立人工矿柱单独支护顶板阶段和人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段的力学模型，得出人工矿柱的受力情况，根据人工矿柱所受载荷应小于其许用应力[σ₁]的判别准则，绘制出人工矿柱单独支护顶板阶段和人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱尺寸a×a和人工矿柱间距l的关系图，选取斜率较大的曲线作为选择人工矿柱尺寸a×a和人工矿柱间距l的曲线，最终根据房式煤柱设计原则从曲线上确定人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l的大小。当从曲线中选取的人工矿柱间距l小于20m时，对应的人工矿柱宽度的最大整数值作为人工矿柱宽度，人工矿柱高度与房式煤柱高度一致。

所述的人工矿柱单独支护顶板阶段的力学模型建立：

a.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷q₁，则在人工矿柱单独支护顶板阶段，人工矿柱受到顶板的作用力F表示为：

F＝q₁(l+a)

式中：a—人工矿柱的宽度，m；

l—人工矿柱的间距，m；

b.对构筑人工矿柱的胶结充填材料进行强度测试，测得人工矿柱许用应力[σ₁]；

c.将上覆岩层对人工矿柱的作用力视为均布载荷，则根据人工矿柱所受最大应力σ_max应小于人工矿柱许用应力的判别准则，得到人工矿柱尺寸和人工矿柱间距l与人工矿柱许用最大应力的关系为：

即：

d.绘制人工矿柱单独支护顶板阶段，人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图。

所述的人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段的力学模型建立：

a.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷q₂，顶板与房式采空区充填体间的压力为p_(x)，人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱对顶板的作用力为F₁，根据温克尔弹性地基模型建立以下方程：

其中：p_(x)＝k₁w_(x)

式中：EI—抗弯刚度；E—房式采空区充填体的弹性模量；I—横截面对弯曲中性轴的轴惯性矩；k₁—房式采空区充填体地基系数，根据房式采空区充填体的弹性模量E求出；

则有：

求解上述微分方程可得出房式采空区充填体的挠度w_(x)为：

则房式采空区充填体对顶板的作用力：

由力的平衡原理可知人工矿柱对顶板的作用力：

b.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷，则根据人工矿柱所受最大应力应小于人工矿柱许用应力的判别准则，得到人工矿柱尺寸和间距与人工矿柱许用应力的关系为：

c.绘制人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图。

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法，以西北地区某矿采用人工矿柱协同固体充填回收房式煤柱作为例，根据该矿地质条件对人工矿柱的布置及尺寸进行研究：已知该矿房式煤柱高为5.3m，直接顶厚度为4.8m，根据岩样进行岩石力学基本实验可得顶板弹性模量为25.8GPa，人工矿柱许用应力[σ₁]为3MPa，煤的弹性模量为14GPa；在人工矿柱单独支护顶板阶段，根据采动影响范围取均布载荷为q₁＝2MPa，而在人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段，取均布载荷为q₂＝2.5MPa；

(1)人工矿柱单独支护顶板阶段的力学模型建立方法如下：

a.在人工矿柱单独支护顶板阶段，即煤柱回收初期，由于顶板下沉量较小，尚未接触固体充填材料，此时煤层上覆岩层压力主要由人工矿柱承担，将人工矿柱间的直接顶简化为两端简支梁，则将人工矿柱-直接顶的力学模型和力学分析图分别如图2a和图2b所示；

将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷q₁，则人工矿柱受到顶板的作用力F可表示为：

F＝q₁(l+a)

式中：a—人工矿柱的宽度，m；

l—人工矿柱的间距，m；

b.通过对构筑人工矿柱的胶结充填材料进行强度测试，得到人工矿柱许用应力[σ₁]＝3MPa；

c.将人工矿柱上覆作用力看作均布载荷，则根据人工矿柱所受最大应力应小于矿柱许用应力的判别准则，得到人工矿柱尺寸和间距与人工矿柱许用应力的关系为：

即：

进一步化简可得：l＝1.5a²-a；

d.根据上述人工矿柱尺寸和间距与人工矿柱许用应力的关系绘制出人工矿柱单独支护顶板阶段人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图，如图3所示；

(2)人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段的力学模型建立：

a.随着房式煤柱的不断回收，顶板悬空面积变大，直接顶承受上覆载荷也越来越大，导致顶板的挠度也逐渐增大，当顶板与房式采空区充填体接触时，固体充填材料被逐步压实并产生对顶板的支持力，采煤作业空间由单一的人工矿柱支撑阶段转变为人工矿柱和房式采空区充填体联合支撑阶段；此时，将直接顶承受的上覆岩层重量看作为均布载荷，人工矿柱-房式采空区充填体-直接顶的力学模型和力学分析图分别简化为如图4a和图4b所示；

将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷q₂，顶板与房式采空区充填体间的压力为p_(x)，F₁为人工矿柱对顶板的作用力。根据温克尔弹性地基模型建立以下方程：

其中：EI—抗弯刚度；

E—房式采空区充填体的弹性模量；

I—横截面对弯曲中性轴的轴惯性矩；

p_(x)＝k₁w_(x)

式中：k₁—房式采空区充填体地基系数，根据充填体的弹性模量E求出。

则

求解上述微分方程可得出房式采空区充填体的挠度w_(x)为：

则房式采空区充填体对顶板的作用力：

由力的平衡原理可知人工矿柱对顶板的作用力：

式中a—人工矿柱的宽度，m；

l—人工矿柱的间距，m；

k₁—房式采空区充填体地基系数，根据充填体的弹性模量E求出；

A、B、C、D—四阶常系数线性非齐次微分方程的待定系数，可由给定边界条件算出。

b.将直接顶承受的上覆岩层作用力设置为均布载荷，则根据人工矿柱所受最大应力σ_max应小于矿柱许用应力[σ₁]的判别准则，得到人工矿柱尺寸和间距与人工矿柱许用应力的关系为：

c.采用Maple求解上式可得人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱间距和尺寸的关系图，如图5所示。

(3)通过比较图3：人工矿柱单独支护顶板阶段人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图与图5：人工矿柱协同固体充填材料联合支护阶段人工矿柱宽度a和人工矿柱间距l之间的关系图。选取斜率较大的曲线作为选择人工矿柱宽度和间距的曲线，即选取人工矿柱宽度a相同条件下，人工矿柱间距l较大的曲线。进而选择图5作为挑选人工矿柱宽度和间距的曲线。由于煤房设计原则中煤房长度15-20m，且要求尺寸尽量规整以便于施工。所以从图5曲线中选取人工矿柱间距小于20m时，对应的人工矿柱宽度的最大整数值作为人工矿柱宽度。最终选取当人工矿柱尺寸为4m×4m时，人工矿柱允许间距达到16m，人工矿柱高度与房式煤柱高度一样均是5.3m。