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

技术特征：

1.一种回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法，其特征是：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。

2.根据权利要求1所述的一种回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法，其特征是：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：

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{F}{S}=\frac{q_1(l+a)}{a^2}=\frac{q_{1}l}{a^2}+\frac{q_1}{a}=\[{\mathrm{\σ}}_1\]$

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。

3.根据权利要求1所述的一种回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法，其特征是：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：

$EI\frac{d^4{w}_{\left(x\right)}}{{\mathrm{dx}}^4}=q_2-p_{\left(x\right)}$

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：

$\frac{d^4{w}_{\left(x\right)}}{{\mathrm{dx}}^4}+\frac{k_1}{EI}{w}_{\left(x\right)}=\frac{q_2}{EI}$

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：

$w_{\left(x\right)}=e^{\mathrm{\α}x}(Acos\mathrm{\α}x+Bsin\mathrm{\α}x)+e^{-\mathrm{\α}x}(Ccos\mathrm{\α}x+Dsin\mathrm{\α}x)+\frac{q_2}{k_1}$

则房式采空区充填体对顶板的作用力：

$P={\∫}_0^l{p}_{\left(x\right)}dx={\∫}_0^l\[k_1{e}^{\mathrm{\α}x}(Acos\mathrm{\α}x+B\sin \mathrm{\α}x)+k_1{e}^{-\mathrm{\α}x}(Ccos\mathrm{\α}x+D\sin \mathrm{\α}x)+q_2\]dx$

由力的平衡原理可知人工矿柱对顶板的作用力：

$F_1=q_2(l+a)-{\∫}_0^l\[k_1{e}^{\mathrm{\α}x}(Acos\mathrm{\α}x+B\sin \mathrm{\α}x)+k_1{e}^{-\mathrm{\α}x}(Ccos\mathrm{\α}x+D\sin \mathrm{\α}x)+q_2\]dx;$

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：

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{F_1}{S}=\frac{q_2(l+a)-{\∫}_0^l\[k_1{e}^{\mathrm{\α}x}(Acos\mathrm{\α}x+B\sin \mathrm{\α}x)+k_1{e}^{-\mathrm{\α}x}(Ccos\mathrm{\α}x+D\sin \mathrm{\α}x)+q_2\]dx}{a^2}=\[{\mathrm{\σ}}_1\]$

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。

4.根据权利要求1所述的一种回收房式煤柱的人工矿柱尺寸和间距的确定方法，其特征是：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。