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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

辽工大李忠华课题组揭示矩形巷道冲击地压影响因素

2018-12-17

  在一定范围内,矩形断面巷道宽高比越小,顶板越厚,越不易发生冲击地压。这是辽工大李忠华教授课题组的最新研究成果。研究考虑了煤层的损伤特性,将煤层的峰后特性简化为具有线性损伤性质的软化材料,对于顶板采用剪切梁模型,同时考虑开挖面空间效应,对矩形断面巷道冲击地压的发生条件和影响因素进行研究。


  据统计,85%的冲击地压灾害发生在巷道中,但目前巷道冲击地压研究成果主要体现在圆形断面巷道。圆形断面巷道是一种理想化的简化模型,其成果只能对巷道冲击地压给出定性分析结论。对于大部分煤矿现场采用的矩形断面巷道,由于其变形破坏规律既受煤层本身影响,同时又受到顶板的影响,因此较难建立简单的分析模型,很难得到解析解,相关研究成果较少。


  矩形断面巷道研究有2个关键问题:一是建立合理的顶板简化模型,二是建立合理的煤层简化模型。


  矩形断面巷道发生冲击地压的影响因素包括几何因素和煤岩力学性质因素两大方面:几何影响因素由巷道宽高比和顶板厚度描述。煤岩力学性质因素由煤层与顶板刚度比、煤的模量比描述。


  临界载荷与矩形巷道宽高比的关系

  H为顶板厚度,k1为矩形巷道宽高比,qcr为临界载荷


  随巷道宽高比增大临界载荷减小,但减小的幅度不大,表明巷道的宽高比对临界载荷影响较小。临界载荷随顶板厚度增大而增大,表明顶板越厚系统越稳定,厚层顶板条件下巷道不容易发生冲击地压。对于厚层顶板条件,虽然冲击地压不易发生,但如果煤层埋深较大(载荷较大)却存在发生较大震级冲击地压的可能性,因此对于深部开采条件,如果煤层上方赋存厚硬岩层,必须采取有效的防冲措施,避免较大震级冲击地压的发生。



  

  临界载荷与煤层与顶板刚度比的关系

  E为煤的弹性模量,k2位煤层与顶板刚度比


  临界载荷随煤层与顶板刚度比增大而减小,表明煤层与顶板刚度比越大越容易发生冲击地压,煤层与顶板刚度比是巷道冲击地压发生的重要影响因素。临界载荷随煤层弹性模量增大而增大,表明煤层弹性模量越大越不容易发生冲击地压。对于弹性模量较大的硬煤层,虽然冲击地压不易发生,但如果煤层埋深较大(载荷较大)却存在发生较大震级冲击地压的可能性,因此对于深部开采条件,如果煤层较硬硬,也应采取有效的防冲措施,避免较大震级冲击地压的发生。


  临界载荷与煤的模量比的关系

  h为煤层厚度,E/λ为煤的模量比


  临界载荷随煤的模量比增大而增大,表明煤的模量比越大越不容易发生冲击地压,煤的模量比是巷道冲击地压发生的重要影响因素。煤的模量比越大,则降模量越小,临界载荷越大。当降模量趋近于0时,模量比趋近于无穷大,则不会发生冲击地压。当降模量趋近于无穷大时,模量比趋近于0,则巷道壁处煤层刚刚出现塑性区时即发生冲击地压。煤层厚度对冲击地压影响较小。薄煤层和特厚煤层易于发生小震级冲击地压;厚煤层的临界载荷稍大,不易发生冲击地压。


  在煤矿现场,巷道冲击地压不是发生在掘进面附近,而是滞后一定的距离,研究人员作出的解释为:考虑开挖面空间效应的影响,在巷道掘进面后方一定范围内的巷道围岩应力不能全部释放,相当于存在虚拟支护反力。对于矩形断面巷道虚拟支护反力作用于巷道顶板,使顶板下沉量减小,增加了系统的稳定性,降低了发生冲击地压的可能性。


  这项研究得到了国家重点研发计划的资金支持,研究成果以《矩形巷道冲击地压影响因素研究》为题发表于《煤炭科学技术》2018年第10期。


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  责任编辑:宫在芹
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