摘要：通过计算矩形巷道煤层顶板在弹性极限状态和塑性软化状态下的应力应变关系，得出了求解弹性塑性区域分界点位置以及弹性极限荷载的方法。进而分析了影响冲击地压发生的因素，得出矩形煤巷在冲击地压作用下的变形破坏方式已经控制冲击地压的切入点。
关键词：冲击地压 矩形煤巷 弹性极限 塑性软化
1.引言
目前，煤矿巷道在服务期内收到最大的威胁之一来自冲击地压，鉴于圆形巷道的服务年限更长、重要性更大，所以针对圆形断面巷道在冲击地压作用下的破坏防治研究开展的更为广泛和深入，相应的圆形断面巷道在静水压力作用下的破坏机理及应对理论更为成熟，而针对矩形巷道开展的研究相对较少，但矩形巷道分布广泛，对指导煤矿开采和支护工作有更加重要的意义。因此，本文以矩形巷道为研究对象，分析研究其发生冲击地压的条件及影响因素。
2.计算模型设计
假设矩形巷道所在煤层水平，埋深为H0，其截面尺寸b*h，煤层厚度与截面高度一致，为b，顶板厚度为H。考虑到巷道顶板的破坏以剪切破坏为主，故将巷道顶板简化为主要发生剪切破坏的剪切梁模型。设煤层上
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根据式（5）可知，弹性极限载荷与煤层及其顶板的几何尺寸和力学性质有关。抗压强度越大，弹性极限载荷越大；刚度比越小，弹性极限载荷越大；巷道越宽，弹性极限载荷越小。对于冲击地压矿井，大多采用宽巷掘进。当巷道较宽时，由于弹性极限载荷较小，巷道附近部分煤体处于塑性软化变形状态。
4.塑性极限状态
当煤层埋深较大时，巷道附近的煤层产生塑性变形，发生软化。而一定范围之外的煤层仍处于弹性变形状态，假定 的区域内仍然处于弹性变形状态，则 为弹、塑性变形临界位置。设 为产生塑性变形临界条件下的上部荷载，因为 和 式一对相关变量（正相关），根据上述塑性条件下的应力应变关系式（2）、式（3）、式（4）可联解出塑性极限状态下的上覆岩层压力 和弹塑性变形交界处的位置 。需要指出的是，如果上覆荷q载非常大，巷道附近的煤层将处于残余变形状态。
5.巷道发生冲击地压的因素分析
（1）巷道断面几何尺寸。临界塑性区深度随宽高比增加变化不大，近似为常数，但受顶板厚度影响较大，顶板越厚，临界塑性区深度越大。临界载荷随宽高比增加而降低，宽高比越大，临界载荷越小。临界载荷受顶板厚度影响也较大，顶板越厚，临界载荷越大。结果表明：宽高比越大、顶板越薄，越易于发生冲击地压。在巷道高度受到煤层厚度限制的条件下，巷道宽度应根据现场实际情况合理选择。对于具有冲击危险性的煤层，除了满足巷道正常使用要求之外，必须考虑防冲要求。
（2）煤层与顶板刚度比的影响。临界塑性区深度随宽高比增加变化不大，近似为常数，但受顶板厚度影响较大，顶板越厚，临界塑性区深度越大。临界载荷随宽高比增加而降低，宽高比越大，临界载荷越小。临界载荷受顶板厚度影响也较大，顶板越厚，临界载荷越大。结果表明：宽高比越大、顶板越薄，越易于发生冲击地压。
（3）临界塑性区深度、临界载荷均随模量比增加而增大，随煤弹性模量增加而增大。模量比越大、煤弹性模量越大，临界塑性区深度、临界载荷越大，不易发生低强度冲击地压，易于发生高强度冲击地压。模量比是反映了煤塑性软化性质的重要参数，因此也成为评价冲击地压危险性的重要指标。根据圆形断面巷道的分析，提出了模量比可作为评价冲击危险性的重要指标。本文结论进一步验证了其正确性。煤层注水和钻孔卸压等防冲措施可有效改变煤层与顶板的刚度比，通过降低模量比有效防治强冲击的发生。
（5）临界塑性区深度与初始粘聚力的大小无关，随内摩擦角增加而减小。临界载荷随初始粘聚力增加而增大，随内摩擦角增加而增大。说明煤的强度越大，临界载荷越大，不易发生低强度冲击地压，易于发生高强度冲击地压。国家标准中将煤的单轴抗压强度作为一项冲击倾向性指数，单轴抗压强度越大，冲击倾向性越强。本文的结论是符合国家标准的规定的。煤岩体的强度不仅是衡量冲击倾向性的重要指数，而且也是评价冲击危险性的重要指标。
6.结语
（1）巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主，将顶板简化为剪切梁模型用于分析矩形巷道冲击地压是合理的。
（2）临界塑性区深度和临界载荷是判别冲击危险性的重要参数。当临界塑性区深度较小、临界载荷较小时，易于发生冲击地压，其发生频度较高，但其强度较小，破坏性也较小；当临界塑性区深度较大、临界载荷较大时，冲击地压不易发生，其发生频度较低，但一旦发生其强度会较大，破坏性也较大。
（3）矩形断面巷道发生冲击地压的影响因素主要包括几何因素（巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度）和煤岩力学性质因素（煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数）两大方面。
（4）临界塑性软化区深度可用于巷道冲击地压的监测，也可用于检验防冲措施的实施效果。临界载荷可用于确定冲击地压矿井的临界开采深度，也为采用断顶、煤层注水、钻孔卸压等防冲措施参数设计提供理论依据。
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作者简介：李耀龙（1983-），男，陕西商洛人，工程师，现就职于国家能源集团榆林神华能源公司青龙寺煤矿分公司，主要从事矿井测绘和煤矿采掘相关的技术、科研与管理工作。
论文作者:李耀龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/13
标签：巷道论文; 地压论文; 临界论文; 顶板论文; 塑性论文; 载荷论文; 煤层论文; 《基层建设》2019年第31期论文;