沿空巷道支护荷载的确定方法..doc

沿空巷道支护荷载的确定方法 摘　要: 本文对沿空巷道围岩应力分布特征进行了分析研究, 提出了沿空巷道双峰应力分布模型。在此基础上, 建立了沿空巷道在底板稳定情况下的支护荷载计算模型, 推导了相应的计算公式, 为沿空巷道支护的定量化设计提供了理论基础。 关键词: 沿空巷道; 支护荷载; 应力分布; 应力双峰模型 1　沿空巷道围岩应力分布特征 由于受回采工作引起的覆岩运动和支承压力变化的影响采场周围岩层的原始地应力平衡状态遭到破坏引起岩体内的应力重新分布。回采工作面两侧煤体上的支承压力也发生了变化研究证明上区段采场老顶触矸稳定后, 沿空巷道未开挖前的围岩应力分布如图1所示。由图1可以看出在煤体上方应力分布与底板应力分布组成了应力双峰, 也可称作驼峰模型。即存在两个应力高峰一个为kγH位于采场老顶在煤体内断裂的部位另一个为k1γH 位于采场老顶在采空区触矸的部位。各部位应力分布大小关系为kγH k1γH γH k2γH 式中　γ——上覆岩层容重 kN/m3; H ——巷道埋深,m; k, k, k2——应力集中系数。 煤体上方应力分布双峰模型的前峰分布形态规律是研究的主体。其特点是按应力值相对大小可以分为三个区即应力集中区、应力低值区和应力正常区。同时根据巷道围岩应力分布情况可以将巷道围岩分为4个区见图2①塑性流动区 ②塑性软化区③塑性硬化区④弹性区。其中塑性流动区位于低应力区塑性软化区和塑性硬化区位于应力集中区弹性区位于应力正常区。应力低值区的出现以煤体出现塑性区为前提即应力低值区的煤体处于塑性软化状态煤体产生新的裂隙并伴随显著变形。而应力集中区的煤体在老顶断裂线附近是处于弹性状态仍保持着自身的承载能力岩体相对比较完整且变形相对较小。两个应力高峰实际上是与老顶两端破裂部位密切相关的应力集中区是该段岩梁楔的两个端头承载支点。煤体中的应力高峰是弹性应力高峰矸石中的应力高峰是塑性应力高峰。在弹性应力高峰的采空区一侧存在着一个相对低应力状态的峰后煤体。若在峰后煤体中布置巷道在满足某种变形量条件下其支护荷载则相对较小实际上接近于老顶岩梁之下的直接老顶和顶煤的重量这是煤巷支护荷载的显著力学特征。 图2　沿空巷道围岩分区 2 沿空巷道围岩分区范围确定 由图2可以看出塑性流动区及塑性软化区的范围即为煤壁到老顶在煤体内断裂线的范围该范围即为煤体出现塑性压缩的范围。在考虑煤体不同区域岩体的强度及极限平衡状态的条件下各区的范围分别为塑性区范围 （1） 塑性软化区范围： （2） 塑性流动区范围： （3） 式中 γ——上覆岩层容重 kN/m3; H ——巷道埋深,m; k——应力集中系数。、、 、——单轴压缩时的强度及残余强度，MPa； St——塑性区煤体应变梯度，St=tanαα1为塑性区煤层顶底板变形角之和； M0——煤体软化模量，M0=tanθ0，θ0为煤体软化角。 根据矿压理论研究的结果，给出老顶在煤壁内断裂线距煤壁的距离（LP）的经验值，从而可以减少计算上的麻烦。具体如下： 当采深200m时，LP=0~2m； 当采深在200~400m时，LP=2~5m； 当采深400m时，LP=5~8m。 由于沿空煤巷的支护范围即为塑性流动区及塑性软化区的范围，因此在这里对于塑性硬化区的范围可以不必求出。 3 稳定条件下沿空巷道支护荷载的确定 稳定条件下，沿空巷道支护荷载的具体计算模型如图3所示，为简化计算，我们做如下假定： （1）假定当实施支护时，上区段老顶岩梁已触矸稳定，即在最佳掘巷时间掘巷，则此时老顶岩梁承担了绝大部分上覆岩层产生的自重应力，这时要计算的支护荷载主要是老顶岩梁以下岩层引起的重力； (2) 不考虑各区之间的相互作用力； (3) 忽略塑性软化区及塑性流动区的承载能。 图3　沿空巷道支护荷载计算模型 3. 1最小煤柱尺寸的确定 沿空侧煤柱尺寸的确定主要考虑巷道开挖后，煤柱在上覆岩层重力作用下，能够保持自稳而且不出现裂隙继续扩展、煤柱片帮脱落等破坏现象。由于煤柱煤体处于塑性流动状态，因此，煤柱破坏的条件为： (4) 式中 WP——作用在煤柱上方的岩层重力，kN； LZ——煤柱宽度，m； ——煤体的残余抗压 (5) 如果LZ=LB 则令LZ=LB+0.5 式中 LB——锚杆长度，m； mz——直接顶厚度，m； a——巷道的宽度，m； γ——直接顶平均容重， kN/m3δ——直接顶垮落角，°。 （6） φc——直接顶残余内摩擦角