基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法

摘要

本发明公开了一种基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法，其工艺为：按照一、二步矿房分成若干个三铰拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空区；（1）根据矿岩石实际物理力学性质按下述式（Ⅰ）和式（Ⅱ）计算；（2）当k≥2时，一步矿房的宽度值大于二步矿房宽度值；当1＜k＜2时，一步矿房的宽度取值应等于二步矿房宽度值；（3）依据公式（Ⅱ）计算最大阶段高度hcr。本方法将三铰拱超静定结构体、连跨承载系统、附加力引入大结构参数的计算中，通过建立矿房结构体系超静定连跨力学模型，利用空间几何关系和结构体系各部分之间的形变关系，计算矿房跨度和阶段高度，有效合理设计大矿房结构参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种属于地下矿分步式充填采矿的技术领域，尤其是一种基于超静定 三铰拱的连跨矿房结构设计方法。

背景技术

随着对矿石资源的不断消耗，资源开采的目标越来越多的转向深部、“三下”难采 等地下矿产，为寻求利益最大化、成本最小化，规模化开采亦成为矿石开采的研究方向。加 之环境要求的不断提高，大阶段矿块嗣后充填采矿技术得到了进一步应用，矿房结构尺寸 逐步加大，采装运设备不断更新。对于规模化需求下的大矿房结构参数就需要一种新的综 合分析方法来进行计算。不能像以往仅仅拿一个矿房结构参数作为研究对象，也不能仅仅 从矿房的顶板或两帮进行单独计算，而是要将整个矿房结构体系作为一个承载系统进行全 方位计算考虑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构稳定的基于超静定三铰拱的连跨矿房 结构设计方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：按照一、二步矿房分成若干个 三铰拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空区；

（1）根据矿岩石实际物理力学性质按下述式（Ⅰ）和式（Ⅱ）计算；

（Ⅰ）

（Ⅱ）

其中：

h_cr为最大阶段高度，m；

为矿岩体单轴抗压强度，MPa；

k为系数；

E为矿岩体的弹性模量，MPa；

q为首采矿房上覆岩层作用的均布荷载值，KN/m²；

（2）根据式（Ⅰ）计算k值；当k≥2时，一步矿房的宽度值大于二步矿房宽度值；当1＜k＜2 时，一步矿房的宽度取值应小于或等于二步矿房宽度值；

（3）依据公式（Ⅱ）计算最大阶段高度hcr。

本发明所述一步矿房和二步矿房的宽度均为16m～24m。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明将三铰拱超静定结构体、连跨 承载系统、附加力引入大结构参数的计算中，通过建立矿房结构体系超静定连跨力学模型， 利用空间几何关系和结构体系各部分之间的形变关系，详细剖析结构体系的承载作用，计 算矿房跨度和阶段高度，有效合理设计大矿房结构参数。本发明对分步式充填开采矿房结 构体，通过几何关系，建立超静定连跨结构体力学模型，从而得到分步式矿房的合理结构参 数。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一步矿房开采前连跨结构示意图；

图2是本发明一步矿房开采后连跨结构示意图；

图3是本发明连跨结构单元受力分析图；

图4是本发明连跨结构单元均布荷载下的三铰拱超静定受力图；

图5是本发明连跨结构单元附加力作用下三铰拱超静定受力图；

图6是本发明中超静定杆件压杆稳定性分析图。

具体实施方式

经研究发现，对于超大规模化的急倾斜极厚矿体（一般倾角≥55°，厚度在100m～ 200m水平厚度），地下首采埋深在300～400m左右，该类矿体矿房长度方向与矿体走向一致， 矿块内矿房采取分步式间隔开采，一步和二步矿房的宽度在16m～24m之间，矿房长度一般 为50m，矿房高度一般为50m～100m，矿房底部采用堑沟式底部机构，凿岩水平布置在矿房顶 部，开凿下向垂直深孔进行侧向爆破崩落矿石。在分步式开采过程中，二步矿房作为支撑结 构维护整个矿块结构体系的稳定性，矿块内部一步矿房顶板、二步矿房立柱形成联动的超 静定承载系统，顶板矿岩体、立柱矿体、上下盘岩体则构成该系统的内外结构因素。当一步 矿房矿体崩落回采后，连跨超静定支撑结构体系成为矿块系统的稳定性关键因素。根据对 矿房采场顶板和矿柱顶部的变形和受力观测，存在塑性铰区，证明支撑结构向三铰拱形结 构承载模式发展。

同时发现，在该结构体系中每3个二步矿房和2个一步矿房可形成一个分析单元 体，进行单元超静定结构计算，然后将单元体相邻的单元附加外力进行叠加计算。每个单元 的三铰拱形结构可根据矿房顶部凿岩工程顶板结构形式的几何关系近似推算，进而推算矿 房跨度结构参数值（矿房宽度）。

另外，从空间几何进行分析，将二步矿房考虑成支撑矿柱杆件体系，通过竖向力系 对二步矿房杆件体系稳定性的影响，计算分析矿房阶段高度参数值。

在司家营田兴铁矿的矿房回采研究表明，本基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设 计方法适用于急倾斜极厚矿体，矿体倾角≥55°，水平厚度100m～200m，覆盖岩层应在≥ 300m，一步和二步矿房的宽度均为16m～24m，矿房长度一般为50m，矿房高度为≥50m～ 100m。

图1、图2是急倾斜极厚矿体一、二步矿房分步开采前后连跨结构图，图1为为开采 前，图2为一步矿房回采后形成采矿场、二步矿房做矿柱的连跨结构图。图3－5是一步矿房 回采后，由3个二步矿房矿柱和2个一步矿房采空区组成的连跨结构单元（图3），以及相对应 的均布荷载q下的三铰拱超静定受力图（图4）和附加力作用下三铰拱超静定受力图（图5）。 A、B、C为铰点，A、B两点为矿房中点，C点为A、B两点连接相邻采空一步矿房凿岩硐室顶板顶 点延伸相交而成，f为拱失，l为三铰拱受力单元的半跨距离（与二步矿房宽度b的关系为 kb）。

这里，进一步说明附加力的作用和应用。图1、图2中将二步矿房编号为1#、2#、3#、 4#、5#，则有：

（1）1#、2#、3#二步矿房矿柱组成的结构分析单元（称为单元1）里，1#矿柱为图4中的A 点，受水平力和竖向力作用；2#矿柱为图4中的C点，受竖向力作用；3#矿柱为图4中的B点，受 水平力和竖向力作用。结构分析单元受均布荷载的q作用。

（2）2#矿柱又存在于由2#、3#、4#二步矿房矿柱组成的结构分析单元（称为单元2） 里，这样2#矿柱除了受到单元1的荷载作用外，还受到了单元2的附加力作用，即图5中的荷 载作用。在单元1中2#矿柱作为超静定支撑杆件为受力图图4中的C点，在单元2中2#矿柱作 为三铰拱铰点A＇。因此，2#矿柱除了收到单元1的作用力外，还受到单元2下的水平力和竖向 力作用。

（3）3#矿柱则如图可知，单元1中的B受力点，单元2中的C受力点，还有由3#、4#、5# 二步矿房矿柱组成的结构分析单元（称为单元3）中的A受力点，在均布荷载下，3#受力点仅 受到竖向力，水平力由平衡关系和对称关系为零。

（4）由对称性可知，4#矿柱与2#矿柱受力相同，5#矿柱与1#矿柱相同。

（5）针对极厚大矿体，本方法简化单一分析3#矿房矿柱类型的受力特点。

图6为超静定杆件压杆稳定性分析图，两端为固定端形式。

本基于超静定三铰拱的连跨矿房结构设计方法中的连跨结构体系按照一、二步矿 房分成多个三铰拱结构单元，每个结构单元中有3个二步矿房矿柱和2个一步矿房空区。研 究得出，当受均布荷载和相邻结构单元附加力作用下，综合连跨结构支撑矿柱的受力结构 单元特点，依据摩尔库伦和压杆失稳理论，二步矿房跨度（宽度）b、三铰拱结构单元半跨l （将二步矿房假设看成点柱，即图3中A和B假设为点，l为一步矿房宽度或单一三铰拱的半 跨）、最大阶段高度（矿房高度）h之间的关系公式如下：

（Ⅰ）

（Ⅱ）

（Ⅲ）

公式中，l为三铰拱结构单元半跨，m；hcr为最大阶段高度（最大矿房高度），m；b为二步 矿房跨度（宽度），m；为矿岩体单轴抗压强度，MPa；k为系数；E为矿岩体的弹性模量， MPa；q为首采矿房上覆岩层作用的均布荷载值。

1、将矿岩石实际物理力学性质参数代入式（Ⅰ）和式（Ⅱ）可求得结构单元半跨、矿 房宽度及阶段高度的关系。

2、一步矿房跨度（宽度）和二步矿房跨度（宽度）宜取16m～24m。

3、由式（Ⅰ）可得到k值，通过式（Ⅲ）可清楚的展现l和b的关系；当k≥2时，说明三铰 拱结构体系稳定性好，一步矿房的宽度取值可大于二步矿房宽度值；当1＜k＜2时，说明稳 定性一般，一步矿房的宽度取值应小于或等于二步矿房宽度值，最好一步矿房的宽度取值 等于二步矿房宽度值。

4、最大阶段高度hcr可按照公式（Ⅱ）进行计算，阶段高度h应低于或等于该高度， 且越低越安全，安全系数为hcr/h。

通过上述公式及分析过程，可有效分析连跨矿房结构体系的稳定性，优化矿房结 构设计，使得井下大规模协同开采成为现实。

实施例：司家营南区田兴铁矿矿体厚度100～200m，倾角45°～60°，首采水平上覆 荷载q=10.4MPa，矿体弹性模量26GPa，矿体单轴抗压强度13.59MPa。

代入公式（2）可得k=1.16，即l=1.16b，一、二步矿房宽度取值相同，取b=20m；将已 知参数代入公式（3），得到hcr=79.3m。因此，开采时按一步矿房跨度20m、二步矿房跨度20m、 阶段高度h取50m（安全系数为79.3/50=1.586）进行开采。