技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種充填開(kāi)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(guó)西部礦區(qū)以儲(chǔ)量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單和開(kāi)采條件優(yōu)越而備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注，上世紀(jì)八十年代起，全國(guó)煤炭市場(chǎng)疲軟，該區(qū)域很多地方煤礦開(kāi)采大量采用生產(chǎn)成本相對(duì)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(guò)多年的開(kāi)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(huì)造成國(guó)家資源的極大浪費(fèi)，另一方面，由于長(zhǎng)期載荷的作用，煤柱強(qiáng)度弱化問(wèn)題越來(lái)越凸現(xiàn)，給當(dāng)?shù)貛?lái)大量的隱患。

近來(lái)年對(duì)著固體充填開(kāi)采技術(shù)在解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}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(chǎng)試驗(yàn)和成熟的理論指導(dǎo)，對(duì)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(duì)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(xiàng)技術(shù)的核心，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的回收房式煤柱，這對(duì)于我國(guó)西部礦區(qū)進(jìn)一步提高煤炭資源采出率、改善巖層移動(dòng)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。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有回收采空區(qū)遺留的房式煤柱技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種方法簡(jiǎn)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(guò)程中，將房式煤柱對(duì)上方頂板的支護(hù)過(guò)程分為人工礦柱單獨(dú)支護(hù)頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護(hù)階段；根據(jù)力的平衡原理和溫克爾地基模型分別針對(duì)兩個(gè)不同階段的支護(hù)特點(diǎn)，建立人工礦柱單獨(dú)支護(hù)頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護(hù)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(dú)支護(hù)頂板階段和人工礦柱協(xié)同固體充填材料聯(lián)合支護(hù)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(jì)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(dú)支護(hù)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(dú)支護(hù)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(duì)構(gòu)筑人工礦柱的膠結(jié)充填材料進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)得人工礦柱許用應(yīng)力[σ₁]；

c.將上覆巖層對(duì)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(dú)支護(hù)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(hù)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(hù)階段人工礦柱對(duì)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(duì)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(duì)頂板的作用力：

由力的平衡原理可知人工礦柱對(duì)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：