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1、第24卷第5期煤炭学报Vol.24No.51999年 10月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYOct.1999 文章编号:0253-9993(1999)05-0466-05回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析12勾攀峰,侯朝炯(11焦作工学院资源与材料工程系,河南焦作 454159;21中国矿业大学采矿系,江苏徐州 221008)摘 要:在分析巷道围岩应力分布特征和锚杆支护巷道顶板破坏形式的基础上,指出巷道锚杆支护顶板严重破坏的类型可分为两类:(1)顶板锚固岩体沿巷道两帮上方的滑落,即
2、出现剪切破坏;(2)顶板锚固岩体发生压缩破坏.据此建立了巷道顶板稳定性分析模型,提出了顶板稳定的判别准则.关键词:锚杆支护;稳定性;判别准则+中图分类号:DT353.6文献标识码:A1 回采巷道顶板破坏特征分析回采巷道采用锚杆支护时,断面一般为矩形,其两帮为煤体,顶板为煤层,假设巷道的长度足够长,则巷道的变形可以作为平面问题处理.[1～3]根据矩形巷道周围应力分布规律,可以看出,矩形巷道顶板的破坏有如下特征:在煤层与直接顶的交界处以及直接顶岩层中间可能产生滑动,滑动的范围与应力场的大小以及巷道的尺
3、寸有关.在跨度层厚之比低的情况下,只在巷道顶角处产生滑动,在岩体中表现为与层面近乎垂直的裂隙的张开.对于跨度层厚之比很高的情况,滑动区包括直接顶板的整个跨度.由于沿层面滑动方向产生朝向层面跨度中心线的内位移,所以巷道顶板下部岩层在其中心处与紧靠它的上部岩层有脱开的趋势.顶板下部岩层与上部岩层分开就表明顶板下部岩层必须单独承受它自己的全部重量.如果直接顶强度较低,由于巷道四角处的压应力较高,在应力重新分布的过程中可能造成巷道直接顶岩层被挤压破坏,岩石强度处于峰后应力状态;如应力仍超过岩石的残余强度时
4、,顶板将出现严重失稳.总之,对于厚顶板层,巷道顶板在两顶角附近会出现滑动与开裂,产生由于顶板岩层剪切位移而使两顶角上方发生断裂的可能性;对于薄层顶板,可能由于离层而造成冒落;对于强度较低的顶板,可能由于挤压而破坏.2 回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析模型211 锚杆支护顶板破坏的主要形式[4]总结锚杆支护的生产实践,其顶板破坏的形式很多,主要的破坏形式:(1)巷道顶板受节理裂隙的影响,顶板锚杆之间发生局部漏顶,继而扩大塌漏抽冒,如不及时控制,则最终形成冒落拱,如图1(a)所示;(2)巷道顶板为离层性
5、的复合顶板或镶嵌型结构,当锚杆部分失效或支护不当时,顶板可能较大范围的呈层状整体冒落,如图1(b)所示;如果锚固范围外存在松软岩层,则一起冒落,如图1(c)所示.212 锚杆支护顶板稳定性分析模型收稿日期:1999-03-10第5期 勾攀峰等:回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析467图1 锚杆支护巷道顶板破坏的主要形式Fig11Principaldestructiveformofroof2boltroadway 通过对巷道顶板破坏特征分析,结合锚杆支护顶板破坏的主要形式,可
6、以将巷道顶板严重破坏的类型分为两种:(1)沿拱座处(巷道两顶角上方)发生剪切破坏;(2)巷道顶板强度较低,拱座处及巷道顶板因受挤压超过岩石的残余强度时发生压缩破坏.有时巷道顶板表面因局部受拉有发生局部冒顶的可能,采用良好的护顶措施如W钢带、金属网一般就能控制.根据巷道顶板严重破坏类型,并假设锚固岩体为均质岩体,建立理想的顶板稳定性分析模型,如图2所示.图2 顶板稳定性分析模型Fig12Modelfortheanalysisstabilityofroadway’sroofmB———巷宽;X0———巷
7、帮塑性区宽度;σ3———锚杆施加的轴向等效应力;D———潜在冒落块高度;n———侧向荷载深度比;nD———侧向力作用的深度;T———诱导侧向力;Z0———诱导侧向力与拱中心处应力组成力偶的初始力臂为方便求解,对系统的荷载分布及侧向应力的作用线作如下假定:(1)巷道处于平面应变状态,沿巷道轴向的长度为1个单位;(2)锚固范围内的岩体处于巷道顶板承压拱下,在锚固区外已发生离层;(3)由于锚固范围岩体的弯曲下沉而引起的侧向作用力呈三角形分布,且侧向应力不会均匀地沿轴向穿过锚固体的竖截面,侧向载荷的传递近
8、似为抛物线的拱;(4)顶板角锚杆的安装角为α,其它顶板锚杆垂直巷道顶板安装,且潜在冒落边界两边垂直于巷道顶板.从图2(c)可以看出,潜在冒落块由铅垂挠度诱导侧向水平力(T)、冒落边界的摩擦力(F)和顶角锚杆冒落范围以外部分的锚固力(N1)共同支承起自身重量W.m铅垂锚杆的作用除改变锚固体的E,C,φ值外,还在垂直方向上对锚固体施加作用力σ3,这个力在潜在冒落块内部属于内力,不影响整个潜在冒落块在外部力作用下的平衡,但控制冒落块体内部的应力状态,影响锚固体内岩层的稳定性.468煤
