沿空动压巷道围岩应力分布规律

煤
炭
工
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研究探讨
A—应力降低区； B—应力增高区； C—原岩应力区； D—极限平衡区； E—弹性区
图1
支承压力分区图
应力集中系数 K 可用下面经验公式进行计算： K = － 0. 841 + 3. 275 × 10 －3 H + 0. 455 m + 0. 013 L + 0. 084 D － 0. 02 α 式中 L— — —工作面长度； — —煤层倾角，（ ° ） ； α— D— — —顶板岩石的弹性模量与煤层弹性模量之比 。 对于 212102 工 作 面，各 参 数 取 值 如 下： γ = 25. 5kN / m3 ，m = 1. 3m， H = 416m， τ0 = 1. 8 × 10 6 N / m2 ， α = 0° ， φ = 25° ，f = 0. 4773 ，D = 4 ，L = 120m，则： K = － 0. 841 + 3. 275 × 10 －3 H + 0. 455 m + 0. 013 L + 0. 084 D － 0. 02 α = 3 x1 = ln 1. 3 × （ 1 + sin25 ° ） × 2 × 0. 4773 × （ 1 － sin25 ° ）
研究探讨
煤
炭
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程
2012 年 10 月
沿空动压巷道围岩应力分布规律研究
郭正宝
（ 中煤国际工程集团 沈阳设计研究院，辽宁 沈阳 110015 ）
要： 针对沿空动压巷道围岩结构的非对称性 ，邻近区段工作面回采过程中围岩变形破坏 的非均衡性，在理论分析、数值模拟的基础上，对沿空动压巷道围岩的应力分布规律进行全面、 摘 系统的论述。从巷道围岩变形破坏特征出发，研究了巷道围岩的轴向及侧向支承压力分布规律， 并通过现场工业性试验对其进行验证 ，为沿空动压巷道的支护方式的确定提供有力的依据 。 关键词： 沿空动压巷道； 围岩应力分布规律； 轴向支承压力； 侧向支承压力 011004 中图分类号： TD353 文献标识码： B 文章编号： 1671 － 0959 （ 2012 ） S2针对目前诸多矿井采用的留煤柱护巷方式造成煤炭资 源浪费、巷道维护困难的问题，国内外开展了无煤柱护巷 技术的的试验研究，取得了大量的成果 二是留小煤柱护巷，即沿空掘巷技术。 在沿空掘巷技术中，可根据邻近区段工作面回采与本 区段工作面巷道开挖时间的先后，将沿空动压巷道分为采 前掘进沿空动压巷道和采后掘进沿空动压巷道两种形式： 采前掘进是指在邻近区段工作面回采之前即掘进沿空巷道； 采后掘进是指在邻近区段工作面回采引起的应力重分布趋 于稳定后掘进沿空巷道
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（ 1）
作者简介： 郭正宝（ 1986 － ） ，男，山东高唐人，硕士，2011 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现从事煤矿设计 工作。
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2012 年 10 月
式中 m— — —工作面采高，m； K— — —应力集中系数； — —煤体内摩擦角，（ ° ） ； φ— f— — —层面间的摩擦系数，f = tanφ； — —上覆岩层平均体积力，kN / m3 ； γ— — —剪切应力，MPa； τ0 — H— — —巷道埋深，m。
响主要是由工作面前方煤岩体受采动影响发生的轴向运动 和应力重新分布引起的 。 随着工作面回采动压的影响及回 采时间的延长，在煤岩层的走向断面上形成四个区域： 原 岩应力区、应力增高区、应力降低区及应力稳定区
［5 ］
。
应力降低区的出现以护巷煤柱出现塑性破坏为前提， 应力降低区中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，即应力降低区出现在护巷煤柱的外侧 塑性区中； 而应力升高区的出现是在工作面采空区基本顶 断裂的基础上形成的，在老顶断裂线附近煤体处于弹性状 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，处于应力升高区的岩梁以两个断裂端头为支撑 点，一侧向采空区延伸并逐渐达到原岩应力区，另一侧在 护巷煤柱侧与应力降低区相连； 这两个区域的形成与发展， 影响着沿空动压巷道围岩的稳定，并对其支护效果产生较 大的影响。 根据极限平衡区理论
［6 ］
1
工程概况
文章以山东徐庄生建煤矿为例研究沿空动压巷道围岩
应力分布规律。 该矿现主采 12 下 煤层，煤层倾角 2° ～ 8° ， 厚度平均 1. 3m，属缓倾斜稳定煤层。煤层顶板为砂质泥岩 （ 平均厚约 15. 6m，抗压强度 59. 0MPa） ； 底板为八灰（ 平均 厚约 3. 1m，抗压强度 145. 6MPa） 。212104 运输巷沿 12 下 煤 层破顶掘进，矩形断面（ 3. 8m × 2. 6m） ，半煤岩巷，底板为 八灰，与 212102 轨道巷之间留 5m 护巷煤柱，为采前掘进 沿空动压巷道。
［1 ］ ［1 － 6 ］
前环境相适应的新平衡状态
［2 ］
。
采前掘进沿空动压巷道（ 以下简称沿空动压巷道） 一侧 为实体煤，另一侧是护巷煤柱，巷道两侧结构上非对称， 煤（ 岩） 体的承载能力也不同
［4 ］
。 无煤柱护巷
技术可分为两类： 一是完全无煤柱护巷，即沿空留巷技术；
。 巷道围岩受到两次工作面
回采的影响： 一是邻近区段工作面回采，上覆岩层对巷道 施加侧向及轴向支承压力； 二是本区段工作面回采时，直 接顶垮落老顶断裂，巷道再次受到超前支承压力（ 即轴向支 承压力） 的影响。文中主要研究沿空动压巷道在邻近区段工 作面回采过程中的围岩应力分布情况 。
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沿空动压巷道围岩应力分布规律
巷道开挖就是对原岩应力进行卸载，发生围岩应力重
，如图 1 所示，可得工作面前
方支承压力峰值点距煤壁的距离为： x1 = m（ 1 + sinφ） ln KγH（ 1 － sinφ） 2 f（ 1 － sinφ） τ0 cotφ（ 1 + sinφ）
新分布和局部区域应力集中，并通过不断调整来达到与当 收稿日期： 2012 － 08 － 20
2. 1
沿空动压巷道轴向支承压力分布规律
邻近区段工作面回采对沿空动压巷道轴向方向上的影
。 采前掘进沿空动压巷道在服务
期间，围岩受到两区段工作面回采的影响，变形破坏情况 较普通巷道围岩严重，应力分布情况更为复杂 。 因此，研 究沿空动压巷道围岩的应力分布规律，据此提出合理的支 护方案对保障巷道围岩稳定 、 保证矿井安全生产具有重要 的意义。