巷道维护原理和支护技术
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式中
K 应力集中系数; p1 支架对煤帮的阻力; m-煤层开采厚度; C-煤体的粘聚力;
-煤体的内摩擦角;
f-煤层与顶板接触面的摩擦因数;
-三周应力系数, =
1+sin . 1 sin
在生产实际中,x0的变化范围为3~20 m,一般为 5~12m。应力降低区宽度的变化范围为2~7m , 一般为 3~5m。
பைடு நூலகம்
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② 2L>B>L时,在煤柱中央由于支承压力的叠加,应力大
于γ H,沿煤柱宽度方向应力呈马鞍形分布,弹塑性变形区及
应力分布见图8-5。 ③ B<L 时,两侧边缘的支承压力峰值将重叠在一起,煤 柱中部的载荷急剧增大,应力趋向于均匀分布(图8-6)。 受两侧采动影响时,K值可达到4~5以上,在煤柱中央可能因
B x0 2m x1
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8.1.2老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系
1.沿空巷道顶板关键岩层 煤层顶板岩层中,由于成岩矿物成分及成岩环境等因素 不同,岩层厚度核力学性质存在较大的差别。其中一些较坚 硬并具有一定厚度的岩层起着主要的控制作用,他们破断后 形成的结构直接影响着采场及周围巷硐的矿压显现和岩层活 动,这些对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键 层。关键层判别的主要依据是其变形和破坏特征,即关键层 破断时,其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调 一致的;前者称为岩层活动的主关键层,后者为亚关键层。 关键层理论是分析研究沿空巷道上覆岩层稳定性的理论基础, 与采场相比沿空巷道顶板岩层结构具有以下特征:
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煤柱(体)的承载能力,随着远离煤体(煤柱) 边缘而明显增长。在距煤体(煤柱)边缘一定宽度内, 存在着煤柱(体)的承载能力与支承压力处于极限平 衡状态,运用岩体的极限平衡理论,塑性区的宽度, 即支承压力峰值与煤体(煤柱)边缘之间的距离x0为:
m K H C cot x0 ln 2 f p1 C cot
2.煤柱的应力分布 (1)一侧采空煤柱(体)的弹塑性变形区及铅直应力的 分布 假设采空区周围的煤柱(体)处于弹塑性变形状,煤柱 的铅直应力σ y的分布如图8-3中1所示。σ y随着与采空去边 缘之间距离x的增大,按负指数曲线关系衰减。在高应力作 用下,从煤体(煤柱)边缘到深部,都会出现塑性区(靠采 空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区)、弹性区及原 岩应力区(图8-3)。弹塑性变形 状态下,煤柱(体)的铅直应力 σ y的分布如图8-3中2所示。
-采空去上覆岩层跨落角; -上覆岩层平均体积力,kN / m3。
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煤柱单位面积的平均载荷即平均应力:
上述计算尽管经过简化,以平面问题代替空间问题, 以均质的上覆岩层取代复杂的岩层赋存状况,不考虑 煤住边缘部分会产生应力集中以及由于煤住边缘部分 破坏引起应力向煤柱深部转移,未涉及上覆岩层的移 动等。但迄今它仍为比较简单和实用的煤住载荷估算 方法,并认为平均应是判断煤柱载荷的重要参数。
B D H D cot / 4 P B B
2
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(2)煤柱宽度的理论计算
护巷煤柱宽度的理论计算有按煤柱的允许应力,煤 柱能承受的极限载荷,以及按煤柱应力分布等多种方 法。各种方法的基本点都认为:煤柱的宽度必须保证 煤柱的极限载荷σ y不超过人它的极限强度R。
第八章 巷道维护原理和支护技术
8.1 无煤柱护巷
8.1.1 护巷煤柱的稳定性
留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法,传统的留煤 柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留 设一定宽度的煤柱,使下区段平巷闭开固定支承压力峰值 区(图8-1)。
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区段平巷双巷掘进和使用,技术管理简单,对通风、
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(2)两侧采空煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布 两侧均以采空的煤柱,其应力分布状态主要取决于回采 引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B,主要有三种类型: ① B>2L时(图8-4),煤柱中央的载荷为均匀分布,且 为原岩应力 γ H 。由于煤柱边缘应力集中,煤柱从边缘到中 央,一般仍为破裂区、塑性区、弹性区,以及原岩应力区。
煤柱的极限强度见7-5、7-6式,煤柱的宽度B计 算式:
1 2 B B D H D cot R 0.778 0.222 c 1000 B 4 h 1 2 B B D H D cot R 0.64 0.36 c1 1000 B 4 h
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(2)护巷煤柱保持稳定的基本条件 护巷煤柱一侧为回采空间,一侧为采准巷道。回采空间 和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区,塑性区 的宽度分别为x0 、x1(图8-7)。因此,护巷煤柱保持稳定的 基本条件是:煤柱;两侧产生塑性变形后,在煤柱中央存在 一定宽度的弹性核,弹性核的宽度应不小于煤主高度的2倍。 因此,即使在煤柱内开掘一条非常窄的巷道,也会引起煤柱 应力重新分布,造成有效支承面积减少。煤柱支承能力急剧 下降。
长期处于塑性流动状态而遭到破坏。
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3.护巷煤柱的稳定性 (1)护巷煤柱的宽度 煤柱的宽度是影响煤柱的稳定性和巷道维护的主要因素。 煤柱的宽度决定了巷道与回采空间的水平距离,影响到 回采引起的支承压力对巷道的影响程度及煤柱的载荷。煤柱 的极限承载能力,不禁取决于煤柱的边界条件和力学性质, 还取决于煤柱的几何尺寸和形状。
由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩
层转移到煤柱上的部分重量所引起的。
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如图8-2所示,一单位煤住长度上的总载荷P为:
式中
D 2 cot p B D H 4
B 煤柱宽度,m; D-采空区宽度,m; H-巷道埋深,m;
运输、排水、安全都有力。但是,媒柱损失高达 10 %~ 30%;且回风巷受二次采动影响,巷道维护困难,支护费 用高。煤柱支承压力向底板传播,不仅影响临近煤层的 开采和底板巷道的稳定,还成为引发冲击地压的隐患。 煤柱宽一般为10~30m。
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1.煤柱的荷载
(1)煤柱荷载的估算
目前国内外研究都认为,护巷煤柱上的荷载,是