[发明专利]一种人工矿柱支护下金属矿覆岩三维空间应力计算方法

说明书

一种人工矿柱支护下金属矿覆岩三维空间应力计算方法，建立采空区覆岩空间应力模型和空间采空区应力模型，建立空间坐标系；当覆岩只有重力和梁的支撑力作用时，计算求解出该覆岩的各项应力分量：当只有构造应力作用时，系统内部方程和只受梁的支撑力作用时一样，边界条件发生变化时，再求解出该覆岩的各项应力分量；当采用人工矿柱支护时，计算求解出该覆岩的各项应力分量；当岩体受支撑力和构造应力共同作用时，计算得出各项应力分量，最后获得整个岩体的势能。本发明可以分析用人工矿柱支护来改变采空区覆岩的应力分布及集中程度，计算获得人工矿柱支护下金属矿覆岩三维空间的应力。

技术领域

本发明属于金属矿山采矿安全防控技术领域，具体涉及金属矿山采空区人工矿柱支护下金属矿覆岩三维空间应力的计算方法。

背景技术

煤炭一般会形成在沉积岩中，金属矿产一般在岩浆岩中产生，因此，导致煤矿的矿体形态多具层状，而金属矿矿体形态多具脉状、块状。在研究煤矿岩层破坏时一般将其视为“梁”或“薄板”，并取得了非常多的有益成果，但针对金属矿的覆岩移动研究大都是直接借鉴煤矿的成果，这就造成研究结果与工程实际有较大偏差。同时，因金属矿山埋藏条件复杂，重力和构造应力成为采矿动态过程中影响采空区围岩稳定性及覆岩移动的重要因素，但是在金属矿山覆岩岩体移动破坏研究中，在地质及力学模型构建时将构造应力作为重要考虑因素的较少。影响采空区覆岩移动及稳定性的因素比较复杂，这主要表现在：一是空场法采空区一般由顶板、底板和矿柱三个构成要素组成，其稳定性是构成要素的综合体现；二是采空区顶、底板和矿柱的岩体性质、结构特征一般都有差异；三是采空区空间几何尺寸及形态、矿体倾角是影响稳定性的特定因素。

发明内容

本发明的目的是针对金属矿山实际地质情况，分析用人工矿柱支护来改变采空区覆岩的应力分布及集中程度；同时根据围岩材料的复杂性、非均质的特点，利用非线性理论着重研究人工矿柱支护下采空区覆岩三维空间应力势能模型，计算获得人工矿柱支护下金属矿覆岩三维空间的应力。

本发明采取的技术方案如下：

一种人工矿柱支护下金属矿覆岩三维空间应力计算方法，包括如下步骤：

第一步：建立采空区覆岩空间应力模型，将岩体切割成一个个微小单元，每个微小单元都受六个面上18个应力和自重力作用，这些分量之间的关系通过弹性力学原理中的平衡方程、相容方程和胡克定律描述；建立空间采空区应力模型，建立空间坐标系，长度方向为x轴、宽度方向为y轴、高度方向为z轴；所述微小单元满足以下方程：

平衡方程为：

式中：σ_x为垂直于xoz平面指向x方向的正应力，MPa；

σ_y为垂直于xoz平面指向y方向的正应力，MPa；

σ_z为平行于xoy平面指向z方向的切应力，MPa；

τ_xy＝τ_yx,τ_xz＝τ_zx,τ_zy＝τ_yz. (2)

式中：τ_xy、τ_yx为xy方向的切应力，MPa；

τ_xz、τ_zx为xz方向的切应力，MPa；

τ_zy、τ_yz为yz方向的切应力，MPa；

相容方程为：

式中：ε_x为x方向的正应变；

ε_y为y方向的正应变；