巷道开掘会造成围岩应力重新分布, 围岩变形会持续增长和变化。在巷道掘进影响阶段和掘进影响稳定阶段巷道的围岩变形量和围岩变形速度主要取决于巷道埋藏深度和围岩力学性质和结构以及支护等巷道边界条件。
煤体内开掘巷道后, 处于弹性变形状态的岩体经过原岩应力重新分布, 在弹塑性形变的过程中, 围岩向巷道空间位移迅速增长。主要有顶板下沉量、底板鼓起量和巷帮移近量。随着巷道掘进时间的延长, 围岩变形速度逐渐降低, 趋向缓和。
掘进巷道引起的围岩应力重新分布趋于稳定, 围岩变形主要来自于围岩流变。由于煤体的流变性以及支架支护调节围岩应力, 围岩与支护共同作用, 掘进引起的围岩变形相比掘进初期要小得多。
巷道开掘后, 巷道空间上方岩层的重量由巷道支架与巷道周围岩体共同承担, 巷道支架与围岩体组成一个共同的承载体系。
原岩应力P0状态下未开挖前的巷道当开挖后, 处于弹性变形状态的岩体经过原岩应力重新分布, 巷道围岩内出现应力集中。往往使巷道周边向围岩深处的一定范围内产生塑性变形, 巷道周边围岩强度降低, 围岩发生破裂和位移。支护的作用原理可以用支护与围岩相互作用情况来描述, 如图1中曲线a—b—E所示。围岩因其性质及崩解、破碎和膨胀变形的不同, 会有E1, E2, E3不同的围岩变形曲线。巷道支护后支护结构与围岩相接触时, 支护结构开始发生变形, 产生出支护阻力。由于不同的支护材料性质及其弹性模量的不同, 即有支护阻力曲线s1, s2, s3。围岩变形曲线和支护阻力曲线相交稳定在一个点, 即支护与位移共同点。对于不同的围岩性质和同一种支护以及相同的围岩性质和不同支护, 共同作用点的位置是不同的。支护刚度较大且支护及时, 支护与位移共同作用点的应力也较高, 围岩位移量也较小, 对围岩稳定越有利 (如图1) 。
Ⅰ为巷道周边位移量与支护阻力关系曲线;Ⅱ为可缩性支架工作特性曲线, 可缩性支架因具有可缩量和承载能力在结构上的可调性, 通常在支架变形和收缩过程中, 能保持对围岩的支护阻力, 促进围岩应力趋于平衡状态。可缩性支架的可缩性能适应围岩的有限变形, 保持围岩的稳定, 避免支架严重变形和损坏。
巷道周边位移量与支护阻力关系 (如图2) 。随着巷道周边位移量的增长, 巷道围岩自身稳定性在弹塑性阶段随之降低, 而在松动破裂阶段围岩松动破裂开始脱落, 支架支护阻力则加大。因支架具有可缩性, 当巷道围压达到一定值支架能通过缩动一定程度上保持支护阻力的稳定。可以看出, 支架支护巷道后在弹塑性阶段支架达到工作点b对巷道围岩的控制以及保持围岩稳定更具有利。在围岩弹塑性阶段及时支护, 且巷道支架系统具有适当的强度和一定的可缩性, 能有效的控制和适应围岩的变形, 充分发挥支架的支护效果。
架设支架对围岩施加径向力, 既支持松动危石, 又能加大巷道围压, 提高围岩强度, 限制塑性变形区和破裂区的发展。对于塑性形变持续时间长适合可缩性支架支护的巷道围岩性质, U型钢可缩性支架的最大优点是当围岩作用于支架上的压力达到一定值时, 支架产生缩动从而使围岩作用于支架上的压力下降, 避免了围岩的压力大于支架的承载力而导致支架的严重变形和破坏, 所以U型钢可缩性支架广泛地被应用在煤矿的主要巷道和软岩巷道。
摘要：在煤矿生产过程中, U型钢可缩性金属支架已获得较广泛的应用。U型钢可缩性金属支架具有可缩量和承载能力在结构上的可调性, 通过构件间可缩和弹性变形调节围岩应力。在支架变形和收缩过程中, 保持对围岩的支护阻力, 能促进围岩与支护共同作用。本文阐述了受采动影响前弹塑性状态下巷道围岩与U型钢可缩性金属支架支护相互作用原理、巷道开掘后围岩弹塑性阶段有效地控制巷道围岩以及保持围岩稳定的重要性等技术问题。
关键词：围岩应力,支护阻力,可缩性支架
[1] 宋宏伟.井巷工程[M].煤炭工业出版社, 2007.
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