[發明專利]一種煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法

有效

• 申請號: 201811222950.3
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109441537B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 姚強嶺;郝琪;湯傳金;李學華;楊書懿;王偉男
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21F17/103
• 分類號: E21F17/103
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 胡時冶;龔頤雯

1.一種煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法，包括以下步驟：

步驟一：進行不同含水率煤巖物理力學參數測試，獲得水作用下煤樣損傷演化特征參數；

步驟二：根據地質條件以及所述損傷演化特征參數，建立地下水庫煤柱壩體變形及應力分布模型，分析煤柱內破壞區、塑性區和彈性區的分布范圍以及應力分布規律；

步驟三：對煤樣受壓破壞進行塑性軟化特征分析，得到煤體彈性階段、塑性軟化階段和塑性流變階段的強度計算公式，建立煤體理想彈塑性應變軟化模型；

步驟四：將煤柱壩體邊緣到其內部深處，劃分成破壞區、塑性區和彈性區，建立煤柱壩體彈塑性變形模型；開展煤柱極限平衡分析，得到煤柱壩體非彈性區寬度計算方法，從而得到煤柱壩體寬度計算方法；

步驟三中，所述煤體彈性階段的強度計算公式為：

σ₁＝λσ₃+σ_c，

式中：σ₁-煤體的最大主應力；σ₃-煤體的最小主應力；σ_c-彈性階段煤體的單軸抗壓強度，MPa；λ-應力系數，-有效內摩擦角，°；

步驟三中，所述塑性軟化階段的煤體強度計算公式為：

式中：-煤體在塑性軟化階段的單軸抗壓強度，MPa；-塑性變形；S_m-軟化模量，MPa；

步驟三中，所述塑性流變階段的煤體強度計算公式為：

σ₁＝λσ₃+σ_r，

式中：σ₁-煤體的最大主應力；σ₃-煤體的最小主應力；λ-應力系數，-有效內摩擦角，°；σ_r-殘余強度，MPa；

步驟四中，地下水庫一側煤柱的非彈性區寬度x₀的計算公式為：

巷道一側煤柱非彈性區寬度x₀’的計算公式為：

式中：K₁-地下水庫一側垂直應力集中系數；K₂-巷道一側垂直應力集中系數；H-煤層埋深，m；γ-覆巖容重，kN·m^-3；λ-應力系數；M-煤層厚度，m；f-煤層與頂底板界面處的摩擦系數；p-靜水壓力，Mpa；為地下水庫一側煤體的軟化模量，MPa；為巷道一側煤體的軟化模量，MPa；S_g-塑性區煤體應變梯度；為地下水庫一側煤體的殘余強度；為巷道一側煤體的殘余強度；-地下水庫一側煤體的單軸抗壓強度；-巷道一側煤體的單軸抗壓強度；

最終獲得煤柱壩體寬度計算公式為：

W＝x₀+kM+x₀'，

式中，x₀為地下水庫一側煤柱的非彈性區寬度，m；x₀'為巷道一側煤柱非彈性區寬度，m；k-調整系數，≥2；M-煤層厚度，m。

2.根據權利要求1所述的煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法，其特征在于，所述彈性區、塑性區和破壞區的特征分別用所述彈性階段、塑性軟化階段和塑性流變階段來表征。

3.根據權利要求1所述的煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法，其特征在于，步驟四中開展所述煤柱極限平衡分析時，作如下假設：

煤體為均勻、連續的；

煤體為各向同性的；

將煤柱當成平面應變模型進行分析。

4.根據權利要求3所述的煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法，其特征在于，進一步作如下假設：

對于在塑性變形階段的煤體，此刻煤層和頂、底板接觸面間的粘結力極小，忽略不計。

5.根據權利要求4所述的煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法，其特征在于，進一步作如下假設：

煤層與頂、底板界面的摩擦系數一致；

在煤層、煤層底板和煤層頂板間應力連續傳遞；

由于沿著煤柱高度水壓的變化較小，認為煤柱壩體地下水庫一側所受水壓的作用是均勻的，僅考慮受靜水壓力作用。

6.根據權利要求1-5任一項所述的煤礦地下水庫煤柱壩體設計方法，其特征在于，在步驟一之前，進行現場調研，在地下水庫煤柱壩體采集煤巖樣品并制成標準試樣，對所述標準試樣進行無損浸水試驗，獲得不同含水率狀態下的煤樣。