煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨

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1、煤炭学报JOURNALOFCHINACOALSOCIETY第4期1989年12月煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨侯朝炯马惫杰(中国矿业大学)摘要本文介绍了国内外学者对煤层巷道两帮煤体应力覆极限

2、平衡区的研究成果，指出7研究中存在的问题。作者以松散介质应力平衡理论丙基础，并结合应力微分平衡方程求出了煤层界面应力以覆煤体的应力极限平衡区宽度。文中分析了开采深度、界面摩擦角、粘录力、煤层厚度、侧向支护阻力、应力集中系数等因素对界面应力和极限平衡医宽度的影响。井下实测数据与计算结果基本吻合一、已有的研究成果及存在的问题保持巷道

3、的稳定性及采用适宜的支护手段是人们长期以来一直致力手研究和解决的课题。由于巷道围岩的破坏和应力极限平衡区的发展往往导致巷道围岩的失稳，因此，研究巷道围岩中的应力分布状况及极限平衡区范围又是解决上述课题的基础。有关这方面的理论一般都是建立在均匀介质的假设条件基础上[1—2】，对于煤层巷道很难适用。一般煤层巷道的特点是；围岩是非均质的，具有分层性质。通常情况下，顶底板围岩比较稳定，岩体强度较高，两帮是强度较低且松软的煤体，形成了上、下两层强度较高的岩石夹一层软岩(煤)的特殊围岩条件。对于煤层巷道两帮煤体应力分布和应力极限平衡区的

4、研究，国内外的一些学者已经做了大量工作，文献[3—8]中刊载了苏联、西德及国内一些学者的研究成果。其力学模塑一般如图1所示。各模型的主要差别在于c值的取法上，有的取为零，有的则取为不等于零的常数。计算公式主要有以下3种形式；图1现有研究戚果的力学模型Fig．1Mechanicalmodelofprevious1．=ND，(1)researchl"esuh本文1g87年8月11日收22煤炭学报19B9年2．=(+Cctg~)(—1)+c，(2)3．=量(P，4-Cctg)e—。一埘g，(3)粕：=酉ln1孚。，(‘4)式中，口

5、——应力极限平衡区的垂直应力，——煤体单向抗压强度，Ⅳ。——巷道边缘处的垂直应力I’，}——煤层开采厚度Ic—煤层与顶底板岩层阃(有的公式为煤体)的牯聚力}——煤层与顶底板岩层间(有的公式为煤体)的内摩擦角，，-一摩擦系数，，=tgI^——侧压力系数，^=}，——应力极限平衡区的水平应力；5——系数，5=碧罟，P——支架对煤帮的支护阻力，——岩层平均容重}日——巷道距地表深度}——应力集中系数，粕——应力极限平衡区宽度。我们认为，上述各计算公式普遍存在下述两个问题：(1)求得的应力极限平衡区内煤体应力(，，f，)，不能满足应

6、力微分平衡方程：詈弘+d=o，’鲁船+‘d=o．(2)认为煤体应力极限平衡区内的和是主应力。事实上，由于该区域内，一般不等于零，和，不可能代表主应力。所以这种假定还有待于改进。此外，有的计算公式对C，cp的含义不明确，有时认为是代表煤层与顶底板之阈的牯聚力和内摩擦角，有时又认为是煤体的牯聚力和内摩擦角。但实际上它们并不相等。因此，上述计算煤层巷道两帮应力极限平衡区及其应力分布的方法概念上有错误，结果难以应用，有待于进一步研究和完善。本文试图对此加以探讨。二、煤层巷道两帮煤体应力分布及极限平衡区宽度1．力学横噩煤层巷道开挖后，

7、巷道周边附近围岩应力重新分布，两侧煤体边缘首先遭到破坏，并逐步向深部扩展，直至弹性应力区边界。这部分煤体应力处于应力极限平衡状态。由于煤体的泊橙比大于其顶底板岩石，煤层与顶底板岩石的交界面(简称煤层界面)的粘聚力和内摩擦角cpo比煤体的C，值低，所以在巷道开挖后，煤体必然从顶底板岩石中挤出，并在煤层界面上伴随有剪应力f。产生。计算力学模型如图2所示。图2中ABCD为应力极限平衡区，为=处在煤层整个厚度上水平应力的平均值}P为支架对煤帮的支护阻力。2．基本假设(1)煤层界面是煤体相对顶底板岩石运动的滑移面。滑移面上的正应力与剪

8、切应力f之间满足应力极限平衡的基本方程[”，即f#=一(o'ytg~oo+C。]．第4期煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨23(2)在应力极限平衡区与弹性区交界处，即=时的平衡方程为[]⋯=旧，=ACoy]⋯=AkVH．式中，——翻压系数。(3)煤体应力对称于轴。5．基本方程周2煤层界面应力计算简周当煤体从顶底板岩层间挤出时，煤层界Fig·2CalcuLationofstress。t。intera。。面应力应该满足应力极限平衡条件}煤层界of。。“nh。“k面附近某个邻域内的煤体应力应满足应力微分平衡方程(9)。在不计体

9、积力的情况下，用以求解极限平衡区界面应力的基本方程为I警+鲁=．o，(轴)1鲁+-o，(5b)lf，y=一(盯，tg中4+Co)．(5c)4．极限平鬻区应力分析由式(5b)，(5c)可得一鲁tgC；o+=o，(6)根据数理方程C1OJ可设=H：Og(Y)+B1(7)．把式(7)代入式(6)