[发明专利]一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法

权利要求书

1.一种煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，包括以下步骤：

步骤一：进行不同含水率煤岩物理力学参数测试，获得水作用下煤样损伤演化特征参数；

步骤二：根据地质条件以及所述损伤演化特征参数，建立地下水库煤柱坝体变形及应力分布模型，分析煤柱内破坏区、塑性区和弹性区的分布范围以及应力分布规律；

步骤三：对煤样受压破坏进行塑性软化特征分析，得到煤体弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段的强度计算公式，建立煤体理想弹塑性应变软化模型；

步骤四：将煤柱坝体边缘到其内部深处，划分成破坏区、塑性区和弹性区，建立煤柱坝体弹塑性变形模型；开展煤柱极限平衡分析，得到煤柱坝体非弹性区宽度计算方法，从而得到煤柱坝体宽度计算方法；

步骤三中，所述煤体弹性阶段的强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_c，

式中：σ₁-煤体的最大主应力；σ₃-煤体的最小主应力；σ_c-弹性阶段煤体的单轴抗压强度，MPa；λ-应力系数，-有效内摩擦角，°；

步骤三中，所述塑性软化阶段的煤体强度计算公式为：

式中：-煤体在塑性软化阶段的单轴抗压强度，MPa；-塑性变形；S_m-软化模量，MPa；

步骤三中，所述塑性流变阶段的煤体强度计算公式为：

σ₁＝λσ₃+σ_r，

式中：σ₁-煤体的最大主应力；σ₃-煤体的最小主应力；λ-应力系数，-有效内摩擦角，°；σ_r-残余强度，MPa；

步骤四中，地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度x₀的计算公式为：

巷道一侧煤柱非弹性区宽度x₀’的计算公式为：

式中：K₁-地下水库一侧垂直应力集中系数；K₂-巷道一侧垂直应力集中系数；H-煤层埋深，m；γ-覆岩容重，kN·m^-3；λ-应力系数；M-煤层厚度，m；f-煤层与顶底板界面处的摩擦系数；p-静水压力，Mpa；为地下水库一侧煤体的软化模量，MPa；为巷道一侧煤体的软化模量，MPa；S_g-塑性区煤体应变梯度；为地下水库一侧煤体的残余强度；为巷道一侧煤体的残余强度；-地下水库一侧煤体的单轴抗压强度；-巷道一侧煤体的单轴抗压强度；

最终获得煤柱坝体宽度计算公式为：

W＝x₀+kM+x₀'，

式中，x₀为地下水库一侧煤柱的非弹性区宽度，m；x₀'为巷道一侧煤柱非弹性区宽度，m；k-调整系数，≥2；M-煤层厚度，m。

2.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，所述弹性区、塑性区和破坏区的特征分别用所述弹性阶段、塑性软化阶段和塑性流变阶段来表征。

3.根据权利要求1所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，步骤四中开展所述煤柱极限平衡分析时，作如下假设：

煤体为均匀、连续的；

煤体为各向同性的；

将煤柱当成平面应变模型进行分析。

4.根据权利要求3所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，进一步作如下假设：

对于在塑性变形阶段的煤体，此刻煤层和顶、底板接触面间的粘结力极小，忽略不计。

5.根据权利要求4所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，进一步作如下假设：

煤层与顶、底板界面的摩擦系数一致；

在煤层、煤层底板和煤层顶板间应力连续传递；

由于沿着煤柱高度水压的变化较小，认为煤柱坝体地下水库一侧所受水压的作用是均匀的，仅考虑受静水压力作用。

6.根据权利要求1-5任一项所述的煤矿地下水库煤柱坝体设计方法，其特征在于，在步骤一之前，进行现场调研，在地下水库煤柱坝体采集煤岩样品并制成标准试样，对所述标准试样进行无损浸水试验，获得不同含水率状态下的煤样。