[发明专利]浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法

权利要求书

1.一种浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构建箱梁桥模型，浅埋近距离煤层在房柱式采空区上行综采时，利用房柱式开采残留煤柱来支撑其上覆岩层的载荷和维护围岩的稳定性，当工作面宽度L与推进方向基本顶的破断距L_D的比值小于5时，其不满足简化为梁的依据，不适合以下方法分析；当工作面宽度L与推进方向基本顶的破断距L_D的比值大于等于5时，其满足简化为梁的依据，将上覆基岩与层间岩层在上煤层开采后，沿其工作面宽度方向形成的长型中空的坚固横梁称之为箱梁；将两煤层开采后，由箱梁和下煤层房柱组成的用来共同承载上覆松散层载荷的这种平衡的受力结构模型称之为箱梁桥；

步骤二、箱梁基本参数的确定，其中包括：煤层腹板高度M_f、基本顶厚度h_L、松散层厚度h_s、煤层腹板宽度B_f、应力壳厚度δ、煤体内摩擦角煤体粘聚力C、煤层的平均开采深度H_g、上覆岩层的岩层平均容重γ、支架对煤帮的阻力P_i、应力集中系数k、工作面宽度L、煤层与顶底板岩层接触面的摩擦系数f、弹性模量E和基本顶上覆载荷q_L；

步骤三、依据箱梁桥的结构特点对箱梁桥稳定性进行分析，其中包括：箱梁桥结构腹板稳定性的判别和房柱稳定性的判别。

2.按照权利要求1所述的浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法，其特征在于，步骤二中所述确定箱梁的基本参数：煤层腹板高度M_f、基本顶厚度h_L、松散层厚度h_s、支架对煤帮的阻力P_i、煤层的平均开采深度H_g、基本顶上覆载荷q_L、工作面宽度L和应力集中系数k均是通过查阅矿井相关开采资料确定；

煤体内摩擦角煤体粘聚力C、煤层与顶底板岩层接触面的摩擦系数f、弹性模量E和上覆岩层的岩层平均容重γ均是通过围岩物理力学试验确定。

3.按照权利要求1所述的浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法，其特征在于，步骤二中所述煤层腹板宽度B_f的确定分为开采设计时煤层腹板宽度B_f的获取和已开采煤层腹板宽度B_f的获取，在开采设计时，煤层腹板宽度B_f是通过公式一B_f≥x₀+x₁+(1～2)M_f计算获得的，已开采煤层腹板宽度B_f是通过查阅矿井实际开采资料或者现场测量来获得；

公式一中：其中，x₀为回采空间在护巷煤柱形成的塑性区宽度，x₁为回采巷道在护巷煤柱形成的塑性区宽度，M_f为煤层腹板高度。

4.按照权利要求1所述的浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法，其特征在于，步骤二中所述箱梁的基本参数：应力壳厚度δ是通过公式十五δ＝x₀+x₁+(1～2)M_f来计算确定；

公式十五中，其中，x₀为回采空间在护巷煤柱形成的塑性区宽度，x₁为回采巷道在护巷煤柱形成的各自的塑性区宽度，M_f为煤层腹板高度。

5.按照权利要求3或4所述的浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法，其特征在于，所述x₀和x₁均是通过公式二来计算获得的；

公式二中，其中，x_i中i取0或者1，M_f为煤层腹板高度，为煤体内摩擦角，f为煤层与顶板底板岩层接触面的摩擦系数，H_g为煤层的平均开采深度，P_i为支架对煤帮的阻力，C为煤体粘聚力，γ为岩层平均容重，k为应力集中系数，ξ是通过公式十六来计算获得；公式十六中，为煤体内摩擦角。

6.按照权利要求1所述的浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层稳定性分析方法，其特征在于，步骤三中所述箱梁桥结构腹板稳定性的判别和房柱稳定性的判别包括如下步骤：

步骤301、根据步骤二中获得的应力壳厚度δ，通过公式三H_m＝h_L-δ/2计算获得极限平衡隐形拱高度H_m；

公式三中：其中，h_L为基本顶厚度，δ为应力壳厚度；

步骤302、通过公式十二获得裂隙高度，并判断裂隙高度值Hs是否超过极限应力壳顶高度值；若裂隙高度值Hs超过了极限应力壳顶高度值就不能形成稳定应力壳，浅埋近距房柱式采空区上行开采岩层将不稳定；

公式十二中，其中，h_L为基本顶厚度、L为工作面宽度、q_L为基本顶上覆载荷、E为弹性模量、M_f为煤层腹板高度；

步骤303、通过公式十和公式十一计算获取煤柱极限强度σ_p；

公式十中，其中，σ_m为立方体煤样的单轴抗压强度、σ_c为圆柱形煤样的单轴抗压强度、D为圆柱形煤样直径、M_y为煤样高度，当M_y>0.9m时，M_y取0.9；当M_y小于等于0.9m时，M_y取值为做围岩物理力学参数试验时试件的高度值；

公式十一中：其中，σ_p为煤柱极限强度、σ_m为立方体煤样的单轴抗压强度，当B/M＞5时，n＝1.4；当B/M＜5时，n＝1；

步骤304、通过公式四公式五公式六公式七F_H＝F_V tanθ+Cδ、公式八和公式九利用Matlab编写差值函数，用二分法可求得腹板压应力σ_f的值，比较腹板压应力σ_f的值与煤柱极限强度σ_p的值，当腹板压应力σ_f的值小于或者等于煤柱极限强度σ_p的值时，箱梁桥结构的腹板稳定；当腹板压应力σ_f的值大于煤柱极限强度σ_p的值时，箱梁桥结构的腹板失稳；

公式四中，其中，q_c为拱顶荷载、γ为上覆岩层的平均容重、F_H为腹板受到的水平作用力、x为合理拱轴线上任意一点在坐标系中x轴上的坐标值、y为合理拱轴线上任意一点在坐标系中y轴上的坐标值；

公式五中，其中，θ为任一截面拱轴线与F_V的夹角、q_c为拱顶荷载、F_H为腹板受到的水平作用力、γ为上覆岩层的平均容重、x为合理拱轴线上任意一点在坐标系中x轴上的坐标值；

公式六中，其中，θ为任一截面拱轴线与F_V的夹角、R为合理拱轴线半径、x为合理拱轴线上任意一点在坐标系中x轴上的坐标值、y为合理拱轴线上任意一点在坐标系中y轴上的坐标值；

公式七中，其中，F_H为腹板受到的水平作用力、F_V为腹板垂直方向的压力、θ为任一截面拱轴线与F_V的夹角、C为煤内聚力、δ为应力壳厚度；

公式八中，其中，σ_f为腹板压应力、F_V为腹板垂直方向的压力、S为壳趾压力与腹板的作用面积；

公式九中，其中，F_V为腹板垂直方向的压力、q_c为拱顶荷载、F_H为腹板受到的水平作用力、γ为上覆岩层的平均容重、L_m合理拱轴线跨度；

步骤305、通过公式十三和公式十四σ_s＝χσ_f+σ_z来计算得到房柱压应力σ_s，比较房柱压应力σ_s的值与煤柱极限强度σ_p的值，当房柱压应力σ_s的值小于或者等于煤柱极限强度σ_p的值时，箱梁桥结构的房柱稳定；当房柱压应力σ_s的值大于煤柱极限强度σ_p的值时，箱梁桥结构的房柱不稳定；

公式十三中，其中，σ_z为层间岩层对房柱的压应力、γ为上覆岩层的平均容重、h为层间岩层的厚度、A为房宽、B_Z为柱宽；

房宽A和柱宽B_Z均通过现场实测获得；

公式十四中，其中，σ_s为房柱压应力、σ_f为腹板压应力、χ为应力传递系数、σ_z为层间岩层对房柱的压应力。