大倾角煤巷围岩力学特征分析

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1、大倾角煤巷围岩力学特征分析大倾角煤巷围岩力学特征分析【摘要】本文针对大倾角煤巷围岩为研究对象，针对其围岩的结构特征，采用实验室相似材料模拟、计算机数值模拟综合分析的研究方法，对大倾角煤层回采巷道应力特征、变形规律等方面进行了深入的研究，建立了相应的模型和数学推导，证明了巷道围岩力学对巷道产生的影响效果，对煤矿的安全生产具有一定的参考价值。【关键词】大倾角；巷道；围岩众所周知，我国煤矿大多采用井工开采，巷道是煤矿生产的命脉，因此巷道支护是煤矿开采中的一项关键技术，为了保证煤矿正常生产就必须采取一定的措施对巷道围岩进行控制。本文拟对大倾角煤层回采巷

2、道围岩性质和变形特征进行系统研究，寻求合理的锚杆支护参数。1巷道围岩受力模型的建立与分析在巷道的变形和破坏的过程中，倾角的增大将在质量和数量方面带来根本性的变化。在有倾角的条件下，与倾角为零时不同，巷道围岩所受载荷及其自身重力可以分解为两个分力，其中一个分力沿层面的法线方向作用，称为法向力，另一个沿层面方向作用，称为纵向力。这种状况将使巷道围岩发生不对称移动的现象，随着倾角增大，对巷道围岩变形和破坏过程的影响更为明显，下图为实验模型，分别模拟0°,30°和45。倾角下模拟巷道围岩破坏前后状况对比。图1巷道围岩模型破坏前后对比图在外加载荷和煤（岩

3、）物理力学性质相同的条件下，通过对不同煤（岩）层倾角（分别为0。、30°和45°）的锚网索支护实体煤回采巷道的相似模拟模型的对比实验，分析结果如下：（1）0°模型的围岩力学特征：巷道顶板在右拐角发生了较明显的破裂，受破断顶板的压力影响，巷道左帮发生了较明显的破坏，但至加载结束，巷道没有发生明显的冒顶和片帮的现象。顶板岩层和两帮煤体中1・5m处测点应力到达峰值的时间分別为载荷加到1.75和1.62的时候，顶板岩层的运动以竖直方向的下沉为主，两帮煤体的运动水平方向的移动为主，两帮基本呈对称变形的特性。(2)30°模型的围岩力学特征：巷道上帮发生剪切

4、破坏，顶板在上帮侧断裂后发&冒落，受断裂顶板下错式移动的影响，下帮也发生明显的片帮现象。顶板、上帮和下帮中l・5ni处测点应力到达峰值的吋间分别为载荷加至1・87、1.5和1.75的时候，顶板岩层的运动以竖直方向的下沉为主，两帮呈非对称变形特性。(3)45°模型的围岩力学特征：上帮承载能力明显降低，首先片帮，随后顶板因跨距增大而冒落，下帮煤体也因压力增大而破坏,最终巷道整体稳定性降低，发生大范围的失稳。顶板、上帮和下帮中l・5ni处测点应力到达峰值的时间分别为载荷加至2.1.37和1.87的时候，顶板岩层水平方向的移动比竖直方向的下沉明显，两帮

5、呈明显的非对称变形特性。2.顶板固支梁的受力分析由于篇幅所限，本文仅介绍顶板固支梁的受力分析计算，设使弯曲梁曲率增加的弯矩为正，与坐标轴方向一致的作用力为正，则根据力学模型可计算出梁两

6、古

7、支端的约束反力：(1)(2)(3)(4)式中：、一分别为梁左端和右端的沿梁法线方向的横向约束力;、一分别为梁左端和右端的沿梁切线方向的侧向约束力；、一分别为作用于梁左端和右端的力偶矩。根据以上的分析，在侧向载荷作用下，倾斜梁在距左端为的截面上的正应力为：(5)这里规定拉应力为正，压应力为负。由上式可知，倾斜梁在作用下，上半部分受拉应力作用，下半部分受压应力作

8、用，其中梁的右端的所受拉应力最大。仍规定使梁曲率增加的弯矩为正，则在横向载荷作用下，距梁左端距离为的截面上的弯矩为：(6)则距梁中性轴为处的正应力为：(7)式中：为单位宽度岩梁的惯性矩，。在力偶矩和惯性矩一定的情况下，由弯曲产生的正应力与距梁中性轴距离成正比，且最大正应力发生在梁的上表面或下表面，将和公式(6)代入公式(7)可知梁的正应力为：(8)式中：'表示梁下表面的正应力，“+”表示梁上表面的正应力。由公式(5)和(8)可知距梁左端距离为处的截面上的正应力为：(9)综上分析和计算，当吋(即倾斜梁右端上表面)的拉应力最大：(10)可见，大倾角

9、巷道顶板上端的拉应力最大，要防止顶板上端因受较大的拉应力作用而发生破断失稳。3巷道围岩力学特征分析(1)顶板的挠曲变形随着倾角的增大而减小，倾角越大，减小的速度越快。受沿层面倾斜方向的分力的影响，大倾角煤巷顶板的上端的拉应力最大，所以顶板上端最容易发生失稳破坏。(2)随着倾角的增大，两帮煤体的变形量呈不同的变化趋势：上帮煤体呈非线性增长趋势、下帮煤体呈非线性递减趋势。在两帮受压相近的情况下，大倾角煤巷上帮移近量大于下帮移近量。(3)巷道围岩压力是围岩变形的主要影响因素之一，受大倾角自身结构和变形移动特征的影响，以及本工作面超前支承压力和临近工作

10、面回采支承压力的叠加影响，大倾角沿空巷道下帮的变形破坏往往会比上帮的变形破坏严重。4总结木文通过模型试验，证明了大倾角煤层回采巷道围岩力学特征具有各向