充填体宽度,强度,支护阻力的计算要点

沿空留巷充填体参数及支护阻力的计算

1巷道的基本情况

本设计为姜家湾煤矿2213巷道巷旁充填体参数及支护阻力的计算，2213巷道老顶为细砂岩与粉砂岩互层，平均厚度18.48m ，直接顶为细砂岩，平均厚度11.47m 。伪顶为粉砂岩，厚度 0.2m-2.2m 。底板直接底为细砂岩，厚度2m-4.2 m 。本矿井煤层厚度0.7～1.5m ，平均厚度1.23m ，，容 重1.28t/m 3，煤质中硬，瓦斯绝对涌出量0.18m 3/min ，煤尘爆炸指数29.26%，具有爆炸性，自燃发火期6个月，属自燃发火煤层。本巷道宽度和高度分别为4500mm 和2600mm 。

2充填体宽度的计算

充填体宽度B 可按下列经验公式计算： ()

452.0342.0685

.03367.0h H b a B ⋅⋅+=

式中 a —巷道半宽，2.25m ；

b —充填体破裂区宽度，一般取20－30cm ，本次取0.25m ； H —平均开采深度，取228m; h —充填体高度，取1.8m 。 将以上因素代入经计算得

B ＝0.367452.0342.00.68532430.25)(6.75⨯⨯+ =0.367⨯3.7964.15.6⨯⨯ =14.82m

第二种算法

预先确定了沿空留巷的巷旁支护强度后，就可根据所需的巷旁支护强度和巷 旁支护材料的力学性能,由式（3-21）设计巷旁支护宽度,并结合具体的地质、

生产条件等确定巷旁支护体的具体形式 b=KF/p

式中,b 为巷旁支护平均宽度，m ； F 为沿空留巷所需的巷旁支护强度,MN/m ； p 为巷旁支护体成型后1d 的抗压强度,MPa ； K 为安全系数,一般K=1.1～1.2。 代入公式得

b=1.26.4357.11=÷⨯m

根据计算结果及经验类比(巷旁充填带宽度一般为充填高度的0.6~0.9倍)

[晋城矿区9号煤沿空留巷实验]

3充填体强度的计算

巷道充填体的平均强度随巷道高度的增加和巷道间距的减小而下降。英国科学家Sallamon 搜集了97个稳定充填体和27个失稳充填体的实际资料，经分析研究，得到了如下计算式：

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=88.046.0h B R R c

式中 R —宽度为B 、高度为h 的充填体强度，MPa ； Rc —岩石的单轴抗压强度，MPa ； B —充填体宽度，m ； h —充填体高度，m ；

=

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

=

88

.0

46

.0

h

B

R

R

c

4支护阻力的计算

第一种计算方法[黄福昌博士论文]

采用沿空留巷方案，在工作面推进L max，使煤体上方部分应力得以释放后，再让巷旁充填材料承受压力，则要求充填材料阻抗力可以减少到足以抗衡垮落直接顶的作用即可。

（1）根据充填墙上方最大需控岩层范围确定

沿空留巷实践表明[90，118]，在沿空留巷顶板活动的三个阶段中，以过渡期活动对沿空留巷巷旁支护体的破坏性最大。因此，在计算巷旁支护阻力时应以基本顶岩梁断裂回转下沉活动为依据。根据上面的力学模型来计算巷旁支护阻力。

图4.2所示为考虑巷帮煤体作用的顶板载荷条带分割法模型（4边支承，图中L I、L II分别为工作面长度和周期来压步距）。在图4.2（a）中取一单位宽度的板条，研究采空区顶板在过渡期活动阶段的沿空留巷巷旁支护阻力，所取的板条见图4.2（b），力学模型求解见图4.2（c）。

设顶板均布载荷为q，按条带分割后，载荷只在阴影部分两段上。由于沿空留巷巷道顶板发生的主动垮落的机会多，而被动垮落一般出现在工作面顶板，因此，本文仅分析主动垮落情况下巷旁支护切顶阻力。在初始阶段，岩层下沉变形很小，层面内应力引起的弯矩可忽略不计，求解支护切顶阻力F时只考虑岩层自重载荷和采动引起的应力增高系数k的作用。

A

B

C

D

x 0a

L 1

L 1

x Q

Q

F 1

F 1

F N1

F A1

M A1

M P1

M P1

M P1

M F1

F F1

L I I

(a)

(b)

(c)

图2-5 沿空巷旁支护阻力计算模型（第一层）

L I

图4.2 沿空留巷巷旁支护阻力计算模型（第一层） Fig. 4.2 Support resistance calculation model of gob-side entry retaining （the

first strata ）

用平衡法对图4.2（c ）中各段求解，从沿空留巷上方第1层顶板开始分析。对于第1层情况，解得巷旁支护阻力F 1为：

[]010*******)(2/)()(Qx M x a F x a q M k x a F A N p --++++=+ （4.1）

式中 k —应力增高系数；

1N F —C 点岩层破断产生的向下剪力，KN ，1N F =11L q ； 1L —岩层破断尺寸，m ； 1γ—岩层容重，kN/m 3； 1h —岩层厚度，m ；

1A M —岩层抗弯弯矩，KNm ；

1P M —岩层极限弯矩，KNm ，在极限条件下，1A M =1P M ； a —巷道宽度，m ； 0x —煤体松动区宽度，m ；

Q x —松动区中心至A 点距离，其值为0x /2；

Q —巷旁煤体对顶板的支承力，式中符号中的“1”表示第1层。

一般情况下，第一层顶板解算出的巷旁支护阻力即为巷旁支护体初期切断直接顶所需的支护阻力。且计算公式可以简化为：

2101010()[()2()]N Q F a x k q a x F a x Qx +=+++- （4.2）

第2层以上顶板支护切顶阻力计算不同于第1层，第1层的切顶阻力主要是人工支护提供的，而第2层以上的岩层所需的切顶阻力是人工支护和已垮岩层残留边界共同作用的结果。第2层垮落沿空留巷巷旁支护阻力计算模型如图4.3所示，解得巷旁支护切顶阻力为：

2

1

2

1

2

2

200021

1

1

()[(tan )/2(tan )]i i i i j j Ni j j P Ai Q i j i j i F a x k h a x h F a x h M M Qx γαα=======+=++++++--∑∑∑∑∑

式中 i —第i 层顶板岩层； j —第j 层顶板岩层；

α—岩层破断角，取0h =0，0α=0。

Q

x 0

a

L 2

F 2

F F2

M F2

M P2

M P2

M P2

M A1+M A2

F N2

F A2

图4.3 沿空留巷巷旁支护阻力计算模型（第二层）

Fig. 4.3 Support resistance calculation model of gob-side entry retaining （the

second strata ）