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沿空巷道支护荷载的确定方法
摘要:本文对沿空巷道围岩应力分布特征进行了分析研究,提出了沿空巷道双峰应力分布模型。在此基础上,建立了沿空巷道在底板稳定情况下的支护荷载计算模型,推导了相应的计算公式,为沿空巷道支护的定量化设计提供了理论基础。
关键词:沿空巷道;支护荷载;应力分布;应力双峰模型
1沿空巷道围岩应力分布特征
由于受回采工作引起的覆岩运动和支承压力变化的影响，采场周围岩层的原始地应力平衡状态遭到破坏，引起岩体内的应力重新分布。回采工作面两侧煤体上的支承压力也发生了变化，研究证明，上区段采场老顶触矸稳定后,沿空巷道未开挖前的围岩应力分布如图1所示。由图1可以看出，在煤体上方应力分布与底板应力分布组成了“应力双峰”,也可称作“驼峰模型”。即存在两个应力高峰，一个为kγH，位于采场老顶在煤体内断裂的部位；另一个为k1γH，位于采场老顶在采空区触矸的部位。各部位应力分布大小关系为：
kγH>k1γH>γH>k2γH
式中γ——上覆岩层容重，kN/m3;
H——巷道埋深,m;
k,k1,k2——应力集中系数。

图1沿空巷道围岩“应力双峰”分布模型
煤体上方应力分布“双峰模型”的前峰分布形态规律是研究的主体。其特点是按应力值相对大小可以分为三个区，即应力集中区、应力低值区和应力正常区。同时，根据巷道围岩应力分布情况，可以将巷道围岩分为4个区，见图2：①塑性流动区；②塑性软化区；③塑性硬化区；④弹性区。其中，塑性流动区位于低应力区，塑性软化区和塑性硬化区位于应力集中区，弹性区位于应力正常区。应力低值区的出现以煤体出现塑性区为前提，即应力低值区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。而应力集中区的煤体在老顶断裂线附近是处于弹性状态，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。两个应力高峰实际上是与老顶两端破裂部位密切相关的应力集中区，是该段岩梁楔的两个端头承载支点。煤体中的应力高峰是弹性应力高峰，矸石中的应力高峰是塑性应力高峰。在弹性应力高峰的采空区一侧，存在着一个相对低应力状态的峰后煤体。若在峰后煤体中布置巷道，在满足某种变形量条件下，其支护荷载则相对较小，实际上接近于老顶岩梁之下的直接老顶和顶煤的重量，这是煤巷支护荷载的显著力学特征。

图2沿空巷道围岩分区
2沿空巷道围岩分区范围确定
由图2可以看出，塑性流动区及塑性软化区的范围即为煤壁到老顶在煤体内断裂线的范围，该范围即为煤体出现塑性压缩的范围。在考虑煤体不同区域岩体的强度及极限平衡状态的条件下，各区的范围分别为：
塑性区范围：
（1）
塑性软化区范围：
（2）
塑性流动区范围：
（3）
式中γ——上覆岩层容重，kN/m3;
H——巷道埋深,m;
k——应力集中系数。
、、
、——单轴压缩时的强度及残余强度，MPa；
St——塑性区煤体应变梯度，St=tanα1，α1为塑性区煤层顶底板变形角之和；
M0——煤体软化模量，M0=tanθ0，θ0为煤体软化角。
根据矿压理论研究的结果，给出老顶在煤壁内断裂线距煤壁的距离（LP）的经验值，从而可以减少计算上的麻烦。具体如下：
当采深<200m时，LP=0~2m；
当采深在200~400m时，LP=2~5m；
当采深>400m时，LP=5~8m。
由于沿空煤巷的支护范围即为塑性流动区及塑性软化区的范围，因此在这里对于塑性硬化区的范围可以不必求出。
3稳定条件下沿空巷道支护荷载的确定
稳定条件下，沿空巷道支护荷载的具体计算模型如图3所示，为简化计算，我们做如下假定：
（1）假定当实施支护时，上区段老顶岩梁已触矸稳定，即在最佳掘巷时间掘巷，则此时老顶岩梁承担了绝大部分上覆岩层产生的自重应力，这时要计算的支护荷载主要是老顶岩梁以下岩层引起的重力；
(2)不考虑各区之间的相互作用力；
(3)忽略塑性软化区及塑性流动区的承载能。

图3沿空巷道支护荷载计算模型
3.1最小煤柱尺寸的确定
沿空侧煤柱尺寸的确定主要考虑巷道开挖后，煤柱在上覆岩层重力作用下，能够保持自稳而且不出现裂隙继续扩展、煤柱片帮脱落等破坏现象。由于煤柱煤体处于塑性流动状态，因此，煤柱破坏的条件为：
(4)
式中WP——作用在煤柱上方的岩层重力，kN；
LZ——煤柱宽度，m；
——煤体的残余抗压强度，MPa。
由此可得最小煤柱宽度为：
(5)
如果LZ=LB
则令LZ=LB+0.5
式中LB——锚杆长度，m；
mz——直接顶厚度，m；
a——巷道的宽度，m；
γ——直接顶平均容重，kN/m3；
δ——直接顶垮落角，°。
由式(5)可看出,煤体的残余强度愈大,煤柱的尺寸愈小，直接顶厚度愈大，煤柱的尺愈大。因此煤柱尺寸的大小与煤体的残余强度成反比，与直接顶的厚度成正比。在最小煤柱尺寸下，对煤柱施加支护，增加了煤柱整体强度，可提高煤柱稳定性。
3.2顶板支护