煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法.pdf

第 45 卷第 9 期 2020年 9月 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Vo l .45 No .9 Sep. 2020 移动阅读 王爱文，潘一山，齐庆新，等.煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法[J].煤炭学报,2020,459 3087-3095. WANG Aiwen ,P AN Yish a n ,QI Qin g x in,et a l . St r en g t h c a l c u l a t io n met h o d o f t h r ee-l ev el en er g y a bso r pt io n su ppo r t in r o c kbu r st r o a dwa ys fo r c o a l min es [J]. Jo u r n a l o f Ch in a Co a l So c iet y,2020,459 3087-3095. 煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法 王爱文匕潘一山1菇，齐庆新“,徐连满3 ,高明仕5,刘金海7,代连朋6,肖永惠3 （1.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新123000； 2.辽宁工程技术大学冲击地压研究院，辽宁阜新123000； 3.辽宁大学辽宁沈阳 110036; 4.煤炭科学研究总院深部开采与冲击地压防治研究院，北京100013； 5.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221116； ;冲击地压； ；三级吸能支护； ；强度计算； ；围岩梯度结构 中图分类号中图分类号TD324 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号0253-9993 （2020）09-3087-09 Strength calculation of three-level energy absorption support in rockburst roadways for coal mines WANG Aiwen1,2 ,P AN Yish a n1,2,3, QI Qin g x in4 ,XU Lia n ma n3 ,GAO Min g sh i5 ,LIU Jin h a i7, DAI Lia n pen g6 , XIAO Yo n g h u i3 （1. School of Mecha nics a nd Engineering，厶ia oning Technica l University, Fuxin 123000 , China ； 2. Resea rch Institute of Rock Burst, Lia oning Technica l Uni versity ,Fuxin 123000 , China ； 3. Lia oning University, Shenya ng 110036 , China ； 4. Deep Mining a nd Rock burst Bra nch, China Coa l Resea rch Institute, Bei jing 100013 , China ； 5. Sta te Key L a bora tory of Coa l Resource a nd Sa fe Mining, China University of Mining a nd Technology, Xuzhou 221116 , China ； 6. Key La bora toryof Ministry of Educa tion on Sa fe Mining of Deep Meta l Mines , Northea stern University, Shenya ng 110819 , China ； 7. School of Sa fety Engineering, North China Institute of Science a nd Technology, Sa nhe 065201 , China） Abstract To dev el o pe a q u a n t it a t iv e desig n met h o d fo r a n t i-impa c t a n d en er g y a bso r pt io n su ppo r t in r o c kbu r st r o a d- 收稿日期收稿日期2020-03-24 修回日期修回日期2020-05-16 责任编辑责任编辑常明然 DOIDOI10. 13225/j. c n ki.jc c s.2020.0769 基金项目基金项目国家重点研发计划资助项目（2017YFC0804205）；国家自然科学基金面上资助项目（51974150）；2018年新疆维吾尔自治区天池百 人计划（柔性人才）资助项目 作者简介作者简介王爱文（1982），男，辽宁建昌人，副教授,博士。E-ma ilwa w_l n t 126. c o m 通讯作者通讯作者潘一山（1964）,男，辽宁丹东人,教授,博士。E-ma il pa n yish _c n sin a . c o m 3088煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 wa y,t h e st r en g t h c a l c u l a t io n met h o d o f a n t i-impa c t a n d en er g y a bso r pt io n su ppo r t wa s st u died , c o n sider in g st a t ic a n d dyn a mic st r ess en v ir o n men t o f su r r o u n din g r o c k a n d st r u c t u r a l c h a r a c t er ist ic s o f r o c kbu r st r o a dwa y. Th e r esu l t s sh o wed t h a t t h e su r r o u n din g r o c k in r o c kbu r st r o a dwa ys fo r ms a mu l t i-l a yer r in g st r u c t u r e wit h su ppo r t l a yer ,a n c h o r a g e l a yer , pr essu r e-r el ief l a yer a n d el a st ic l a yer du e t o t h e do u bl e ex ist en c e o f su ppo r t a n d pr essu r e r el ief en g in eer in g s. Fu r t h er , t h e su r r o u n din g r o c k wit h mu l t i-l a yer st r u c t u r e beh a v es t ypic a l g r a dien t ph ysic a l pr o per t ies in t h e r a dia l dir ec t io n o f t h e r o a dwa y. Lsin g q u a si-st a t ic met h o d, a mec h a n ic a l mo del o f t h e su r r o u n din g r o c k wit h g r a dien t st r u c t u r e in r o c k bu r st r o a dwa y wa s est a bl ish ed,by su per po sin g t h e fa r -fiel d impa c t l o a din g a n d t h e su r r o u n din g r o c k st a t ic l o a din g , sim pl ifyin g t h e a n c h o r bo l t in t h e a n c h o r a g e l a yer ,a n d wea ken in g t h e mec h a n ic a l pa r a met er s o f t h e c o a l -r o c k ma ss in t h e pr essu r e-r el ief l a yer . An d t h en t h e fo r c e a n a l ysis bet ween t h e c o n t a c t su r fa c es o f mu l t i-l a yer r in g in t h e g r a dien t su r r o u n din g r o c k st r u c t u r e wa s c a r r ied o u t a n d c a l c u l a t ed t h e st r ess o n c o n t a c t su r fa c e o f mu l t i-l a yer r in g st r u c t u r es. Th e r edu c t io n o f impa c t l o a din g o n t h e su ppo r t l a yer a n d t h e en h a n c e o f r o c kbu r st -r esist a n t l ev el o f t h e su ppo r t l a yer in t h e r o a dwa y c a n be a c h iev ed by wea ken in g t h e mec h a n ic a l pr o per t ies o f c o a l a n d r o c k in t h e pr essu r e-r el ief l a yer ,in c r ea s- in g t h e st r u c t u r a l size o f t h e pr essu r e-r el ief l a yer a n d in c r ea sin g t h e su ppo r t st r en g t h o f t h e a n c h o r a g e l a yer . Th e impa c t da ma g e l ev el c o effic ien t wa s in t r o du c ed t o est a bl ish t h e r el a t io n sh ip bet ween t h e en er g y a bso r pt io n su ppo r t st r en g t h a n d r o c kbu r st l ev el . Fin a l l y,st r en g t h c a l c u l a t io n met h o d o f t h r ee-l ev el bu r st -r esist a n t su ppo r t fo r impa c t min es wa s pr o po sed. Th e q u a n t it a t iv e desig n o f a n t i-impa c t a n d en er g y a bso r pt io n su ppo r t pa r a met er s fo r r o c kbu r st r o a dwa y wa s r ea l ized. Co mbin ed wit h t h e en g in eer in g pr a c t ic e o f so me min e,it wa s v er ified t h a t t h e t h r ee-l ev el en er g y a bso r pt io n a n d bu r st -r esist a n t su ppo r t pa r a met er s o f “bo l t c a bl e 36L r et r a c t a bl e su ppo r t h ydr a u l ic l ift in g sh ed a n d a n t i-impa c t h ydr a u l ic su ppo r t “ a do pt ed by t h e min e c a n r esist t h e r o c kbu r st o f l ev el 2 a t t h e ma x imu m eq u iv a l en t t o t h e sh o c k so u r c e r el ea sin g en er g y 108 J a n d 100 m a wa y fr o m t h e r o a dwa y. Key words r o a dwa y; r o c kbu r st; t h r ee-l ev el s en er g y a bso r pt io n su ppo r t; st r en g t h c a l c u l a t io n ； su r r o u n din g r o c k wit h g r a dien t st r u c t u r e 冲击地压是煤矿开采过程中严重的动力灾害之 一［1-2］。据统计，近10 a我国冲击地压矿井累积造成 15 000余米巷道严重破坏,500多人伤亡。我国冲击 地压防治研究经过多年发展取得了众多研究成果，解 决了大部分冲击地压问题，文献［3-4］提出了巷道冲 击地压强度弱化减冲理论,指出通过减小外界震源载 荷、合理设置弱结构、提高支护强度等措施来防范巷 道冲击地压动力灾害。齐庆新提出了冲击地压应力 控制理论,并从应力控制角度对冲击地压进行了防治 研究［5-7］。潘一山研究了冲击地压的发生启动过程, 得到了冲击启动的能量准则和扰动响应准则［8-9］；潘 俊锋提出了基于大范围集中静载荷疏导理念的冲击 地压防范理论［10］。潘立友、魏辉等提出了采用工程 缺陷防控方法防治高应力与高能量冲击地压［11］。这 些研究成果均聚焦于冲击地压灾害孕育阶段。近些 年,针对冲击地压启动后如何从支护角度降低巷道冲 击破坏程度逐渐成为研究热点与焦点问题，康红普、 吴拥政等研究了高冲击韧性锚杆支护材料力学性能 及锚杆支护参数设计方法［12-13］。高明仕等采用三维 锚索进行了冲击地压巷道支护,并应用能量准则进行 了支护设计及其防冲性能核算［14］。潘一山等提出冲 击地压巷道吸能支护理论，采用吸能支护手段控制冲 击地压启动后对巷道支护与围岩的破坏，利用吸能锚 杆一级吸能支护、“吸能锚杆可缩性O型棚”二级吸 能支护、“吸能锚杆可缩性O型棚吸能液压支架” 三级吸能支护构建了冲击地压巷道三级吸能支护技 术,初步形成吸能支护理论及技术体系［15］，但目前的 三级吸能防冲支护参数的设计主要依靠经验法，缺乏 相应的理论依据和科学计算方法。冲击地压巷道由 于支护与卸压双重作用使得巷道围岩形成了以巷内 支护层、锚固层、卸压层以及原岩层为主的多层圆环 结构，由于各个圈层内的材料不同在巷道围岩径向方 向形成典型的梯度结构,笔者建立了冲击地压巷道围 岩梯度结构模型,采用载荷传递系数法确定了梯度结 构内多层圆环间接触面上的应力，引入支护强度与冲 击地压等级间的关系，给出了冲击地压巷道三级吸能 支护的强度设计方法。研究成果可为煤矿冲击地压 巷道的三级吸能支护参数的定量化设计提供借鉴。 1冲击载荷作用下巷道围岩梯度结构力学模 型 1.1冲击地压巷道围岩梯度结构冲击地压巷道围岩梯度结构 与普通煤层巷道相比,冲击地压巷道除了受原岩 应力、采动应力等准静态载荷影响外,还受顶板断裂、 第9期王爱文等煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法3089 断层错动等动载冲击作用,冲击地压巷道的稳定性控 制，主要从3个方面做起①优化开拓开采布局，降 低区域性原岩应力，减少冲击能积聚;②采取煤层钻 孔、煤体爆破以及注水等措施进行巷道围岩改性卸 压,使煤岩体裂纹扩展、强度弱化,转移巷道周围的采 动应力，冲击发生时吸收或消耗冲击能;③改善巷道 支护,根据不同冲击能量条件下的防冲支护需要，采 用吸能锚杆（索）、可缩性O/L型棚支架或吸能液压 支架组成的三级支护技术，提高巷道支护强度，增加 支护阻尼吸能。采用三级支护技术时，可缩性O/L 型棚以及吸能液压支架及其辅助填充支护的背板等, 在巷道表面形成强度、刚度较强度的支护层,支护层 内介质以金属及背板材料为主;锚杆（索）等对巷道 浅部松动围岩进行支护,形成以锚固介质为主的锚固 层。锚固介质的黏聚力和内摩擦角与裂隙煤体相比 得到了有效提高,锚固层的尺寸及锚固介质的力学性 能取决于锚杆（索）的支护参数与锚固方式;煤层钻 孔、煤体爆破以及注水等措施的实施,使得锚固层以 外的围岩黏聚力和内摩擦角等力学性能降低,形成以 松散或是裂隙发育介质为主的卸压层,卸压层的尺寸 取决于卸压范围与密度;卸压层以外的深部煤岩体为 未受采动影响的原岩层,原岩层内围岩力学性能近似 均匀弹性煤岩介质,其尺寸近似无穷大；综上,经过支 护与围岩改性卸压工程的实施后，巷道围岩在径向方 向上形成了支护层、锚固层、卸压层以及原岩层多层 结构，如图1所示。 图1巷道围岩梯度结构 Fig . 1 Gr a dien t st r u c t u r e su r r o u n din g r o c k o f r o a dwa y 如上分析,多层结构中的支护层、锚固层、卸压层 以及原岩层的介质密度、强度等物理力学特性沿巷道 径向方向上是连续变化的，造成巷道围岩体呈现显著 的梯度结构特征。从宏观尺度上看，巷道围岩的多层 结构本质上是一种多相复合材料, 各组成相在巷道径 向上是连续变化的,这与日本科学家新野正之、平井 敏雄和度边龙［16］提出的功能梯度材料（结构）具有相 同特点。目前,功能梯度材料（结构）在机械、航空及 水库坝基的设计上广泛应用，笔者针对冲击地压巷道 的结构特性，提出巷道围岩梯度结构,进行冲击地压 巷道的防冲控制研究，重点介绍三级吸能支护的强度 计算方法。 1.2冲击载荷作用下梯度结构力学模型冲击载荷作用下梯度结构力学模型 冲击地压产生的冲击应力波与静载应力叠加后, 经原岩层的传递、卸压层的衰减、锚固层的耗散后，作 用在可缩性O/L型棚支架或吸能液压支架组成的巷 内支护层上，可利用多层结构法计算作用在巷内支护 层的冲击载荷。为了便于计算，本文考虑简单情况下 的圆形巷道，对于其他形状巷道可采用当量半径近似 考虑。鉴于冲击地压的冲击应力波波长远大于巷道 直径，冲击载荷对巷道支护作用问题可用拟静力学接 触问题求解［17］,取最不利情况。将巷道围岩与支护 简化为4层结构，冲击应力波视为简谐平面波，纵波 和横波同时到达巷内支护层，如图2所示。 图2冲击载荷作用下圆形巷道围岩梯度结构力学模型 Fig . 2 Mec h a n ic a l mo del o f c ir c l e r o a dwa y wit h g r a dien t st r u c t u r e su r r o u n din g r o c k su bjec t ed t o impa c t l o a din g 冲击地压巷道破坏是在巷道周边的静应力与冲 击载荷的动应力叠加下的作用结果。假设围岩初始 静应力是均匀分布的,根据弹性力学原理，围岩初始 静应力引起的巷道周边上的应力用在无限远处作用 的等价应力替换,在梯度结构最外层的周边加上等价 应力匕作用。图2为冲击载荷作用下圆形巷道围岩 梯度结构力学模型用极坐标表示时（图3），极坐标下 其值按下式计算 fPj P0j P2jCo s 20 1 入 k 1 P0j yH 1 ◎ yH1 -入 3k 1 2 6 k 式中，Pj为静应力垂直分量,MP a； P2j为静应力 水平分量,MP a； Y为围岩容重,kN/m3 ； H为巷道 埋深,m；入为侧压系数，入“（1-M）屮为围岩泊 3090煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 松比；k 3-4m。 根据文献[17-18]可将冲击载荷引起的围岩应 力状态等价于在无限远处有应力为 Pd _ 1 kePgVP To , 2n 1 2 〔 Qd _ 2nkc pgvS To 式中,Pd为纵波拉伸/压缩载荷,MP a ; ke为冲击地压 破坏系数,是指冲击地压发生过程中质点最大加速度 与重力加速度的比值，其值取决于冲击地压等级；p 为围岩密度,kg /m3; g为重力加速度,c m/s2; VP为纵 波波速,m/s; To为质点振动周期一般取主导周期， 般取0. 5 s ；“”表示远场处应力为压应力，“-”表 示远场处应力为拉应力；Qd为横波剪切载荷,MP a； VS为横波波速,m/s。 围岩远处冲击载荷引起的作用于梯度结构多层 环体外周边上计算应力P*为 \P * _ Po d P2dc o s 20 P0d_Pd/[2l -“] 3 \P2A _ Pd/[21 -Q 3 - 4“1 - 2“] 式中，Po d为直角坐标系下纵波动应力垂直分 量,MP a； P2d为直角坐标系下纵波水平动应力分 量，MP a。 由以上分析可得, 极坐标下作用在梯度结构最外 侧圆环的总压应力p 图3，考虑最不利情况时为 p _ Po 戶2心 20 4 式中,P0 P0d P0j ； P2 P2d P2j。 Fig . 3 St r ess c a l c u l a t io n dia g r a m o f r in g syst em o f g r a dien t su r r o u n din g r o c k st r u c t u r e 上述分析中,将冲击地压巷道围岩梯度结构等效 为巷内支护层、锚固层、卸压层以及原岩层为主的多 层圆环。在进行多层圆环体系的应力计算时，通常首 先分离出任意第i层本文中i 1,2,3,4，其弹性模 量和泊松比分别用E,和皿表示，然后将抛开的相邻 层的作用用接触应力pt替换，且接触应力pt沿内外 周边也是与最外侧相同的规律分布,即 P ,_P0iP2,COS 20 5 由此可见,动静载荷下作用在最外侧的总应力通 过各个层的传递后,最终作用在巷道内支护层上,进 行冲击地压巷道的吸能防冲支护设计时，不但要从能 量角度考虑支护结构的吸能量,还要考虑吸能支护结 构的支护强度是否满足强度要求，也就是说支护层的 支护强度是否大于通过各多层圆环的传递后最终作 用在巷道内支护层上的应力。因此，利用梯度结构进 行吸能防冲支护强度计算的问题归结为接触层面应 力的确定问题。对于多层圆环内各层内部的应力计 算过程，可参考文献[17-18],鉴于其计算过程与表 述较繁杂，本文不再做过多阐述。 2梯度结构围岩内圆环接触面上应力 2.1梯度结构围岩内三级吸能支护应力简化梯度结构围岩内三级吸能支护应力简化 冲击地压巷道三级吸能支护主要包括采用吸能 锚杆索对巷道浅部围岩进行一级锚固支护锚固 层；在一级支护的基础上，根据矿井实际冲击地压 的危险程度和需要抵抗的冲击等级及冲击能量，增加 可缩性O/L棚支架，或者再增加吸能液压支架等，组 成二级或三级吸能支护支护层,其目标是保障巷 道围岩-支护系统不被冲击破坏。 强冲击条件下选用三级吸能支护时，支护层通常 由可缩性O/L棚支架、吸能液压支架与液压抬棚组 成。假设可缩性O/L棚支架支护应力均匀作用在巷 道表面。吸能液压支架与液压抬棚一般通过垫板与 O/L棚支架接触，其支护应力通过可缩性O/L型棚 的传递也均匀作用在巷道表面。 则三级吸能支护时，支护层的支护应力pz简化 为可缩性O/L型棚支架、吸能液压支架和液压抬棚 支护强度的叠加,其简化计算式为 ,_ Pu , Pz , Pt p - z 2ro uo 2ro uz 2 ro ut 6 式中,Pu为可缩性O/L型棚支架支护阻力,kN; ro为 巷道半径,m; uo为可缩性O/L型棚支架棚距,m; Pz 为吸能液压支架阻力，kN; uz为吸能液压支架排 距,m; Pt为液压抬棚阻力，kN; ut为液压抬棚长 度，m。 锚固层设置锚杆时，锚杆锚固力提高了围岩强 度，增强了岩体的抗冲击破坏能力。从围岩应力状态 角度分析,锚杆锚固作用的实质是改善了锚固区内岩 第9期王爱文等煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法3091 体的应力状态，二者具有等效作用。因此，参考文献 ［19］，将锚杆支护作用简化为作用在锚固层内表面 沿巷道径向均匀分布的压应力,单位面积内锚杆产生 的压应力Pm为 01 i ,02 i为与圆环半径相关的系数,a1 i匸1 1 X b1 i-1 ，a2 i ki X b i-1 ，01i -11- P m T Si Sc 7 式中，T为锚杆索轴力,kN； Si与Sc分别为锚杆的 间距与排距,m。 2.2梯度结构围岩内圆环接触面上应力确定梯度结构围岩内圆环接触面上应力确定 X“i ,02i 1 ki Xi biT ，b1i 3 C - Di , b i 2C C2 1 Di , b2 i C 3 -C2 Di , go C2 1 ” ” C-13 ” Gi k 1 k1 2 g,-1c2t-13。 Di Q 2 i 假设梯度结构围岩内各个圆环间非完全接触，即 相邻两圆环的切向位移不连续,径向位移连续，各个 接触面上无切应力，只有径向应力作用。图3为考虑 非完全接触时围岩梯度结构中各圆环边界处应力计 3冲击载荷作用下三级吸能支护强度计算 算简图，图中为巷支护层内径小为巷内支护层外 径辺为锚固层外径;「3为卸压层外径；□为原岩层外 径宀T8 ; p为极坐标下作用在梯度结构最外侧圆 环的总压应力;p i 1,2,3 ,4为通过载荷传递后分 别作用在巷内支护层、锚固层和卸压层上的压应力； Pm为锚固层与支护层接触面处锚杆支护对锚固层的 径向应力。 根据式7，考虑锚杆索支护作用时锚固层的 压应力为 P 02 - P02 T Si Sc 8 式中，P02为未考虑锚杆索支护作用时，锚固层与 卸压层间的应力分量。 为了确定多层圆环体系内接触面上的应力，利用 载荷传递系数进行计算。参考文献［17-18］取相邻 的2层i层与i-1层，第i-1层面上的应力式可由 第i层接触应力公式，利用如下相关式表达 { P0i-1 P0 i K0i P2i-1 P2 i K1 式中，;与Kni为多层圆环体系载荷传递系数, 计算公式为 「K . ___________k 1____________ ,0I 2 x 0id1o -1 - K0o -1d2o -1 10 K 201, J11。B 式中,k为梯度结构内第i圆环层的材料常数,k, 3- 9 11i 11i 冲击地压巷道采用三级吸能支护时，巷内支护层 内缘无任何应力作用,位于梯度结构内最里层的巷内 支护层的载荷传递系数等于0,即心⑴Ku1 0。 因此，首先从第2层开始由里向外的顺序计算各层的 载荷传递系数。然后利用接触面上应力公式9,利 用载荷传递系数由外向里依次对每一层应力分别进 行计算。 计算时假定巷内支护层与巷道围岩在结构 上非紧密连接，只用压应力，将围岩简化为锚固层、卸 压层和原岩层3层，通过各层的载荷传递系数即可计 算出冲击地压发生时作用在梯度结构内各个圆环上 每一层的应力。 根据三级吸能支护设计原则，一般采用锚杆锚索 作为一级支护,在采用锚杆锚索进行设计时一般按照 普通巷道支护进行选取支护参数。在确定锚杆支护 参数后，将其支护作用按照式7进行简化处理。因 此，可以计算出作用在巷内支护层的应力，作为防冲 支护设计时巷道内支护层的最小应力值，由此可以计 算出三级吸能支护的巷内支护强度。 设冲击地压发生时,作用在巷道支护层的应力为 Pz P01 P21cos2 11 按照式9及式10得到冲击发生时各个圆层 上的应力值为 「P01 P02 K02 P21 P22 K112 P02 P03 K03 P22 P23 K113 P03 P0 K04 12 4”,；”0,为剪切模量比,X0i ，_, G,为梯 5-1 c,-1 - 1 度结构内第i圆环层的剪切模量，q为梯度结构内第 i 圆环层的半径比，c R1/R1_ 1 ； , c2 kt - 1 2；di ki 1 , Bi a2i 01i - a1i 02i , a1i , a2i, 式中，K02 ,K 112 , K03 , K113 , 构围岩内圆环之间的传递系数,可由式10计算得 到。 进一步可得冲击地压发生时，作用在巷内支护层 上的最大载荷，即式11 中c o s 20 1时，结合 式1 3,10和式12有 3092煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 「ke Pg Vp T0 L 4n 1 -“ 4算 例 Pz { 「k/g T 3 - 4/z1 - 2Q L 4n 1 -“ yH 1 -入 3k 1 2 6k 1K f 114K113K11213 通过式（13），可计算出不同巷道冲击地压等级 Q与巷内支护的支护阻力、锚杆支护阻力及卸压层的 尺寸参数的关系，即根据不同冲击等级可计算出巷道 支护所需的最小支护强度。实际应用时，依据最小支 护强度选择一级、二级或三级支护。 震动能量与冲击地压破坏系数的关系［20］为 10l血 k“gE0 亦门 （14） 其中，la, lb为与围岩物理力学性质相关参数;E为震 源释放的冲击能,J;h为巷内支护层冲击源距离,m。 文献［21］给出了巷道冲击地压等级、冲击地压破坏 系数及冲击源释放能量的关系见表1。 表表1冲击地压等级划分冲击地压等级划分a a」 Table 1 Classification of rock burst“1」 冲击地压等级冲击地压破坏系数ke 冲击源释放能量/J 微冲击 108 注释放能量的冲击源距离巷道100 m。 通过式（13）,（14），可计算出不同冲击地压等级 或是不同冲击地压释放能量所需的三级吸能支护强 度, 依据三级吸能支护强度可进一步确定冲击地压巷 道三级吸能支护的支护参数。对于一级、二级吸能支 护,也可对梯度结构围岩内圆环体系内应力计算简图 及式（12 ）做适当简化后进行计算。冲击发生时围岩 对巷道巷内支护层的冲击载荷受冲击地压释放的能 量大小、冲击源距巷道距离、围岩煤岩介质力学性质、 锚固层的支护强度与卸压层的尺寸及煤岩力学性能 等因素影响。由于冲击波在围岩中传播时的衰减率 不同，增加冲击源距巷道距离,合理设置卸压层的卸 压钻孔直径、间距、深度等卸压参数，可以改变卸压层 内的煤岩力学性能、卸压层的结构尺寸，进而改变卸 压层与锚固层间接触应力的大小，同时还可以提高卸 压层内围岩煤岩的吸能减震性能;增加锚固层的支护 强度可减小冲击载荷对巷内支护层的作用，进而提高 巷道内支护层的抗冲击地压等级。 4.1工程概况工程概况 某矿13230工作面平均采深633 m,最大采深 686 m。工作面走向长度971 m,倾斜长196 m,煤层 倾角9 13,煤层及顶底板均具有弱冲击倾向性。 煤层具有冲击危险，主要回采巷道设计圆形巷道,净 断面直径2r为6.2 mo巷道采用三级吸能支护方 式。一级吸能支护为锚杆锚索；二级吸能支护为 36L-6. 0 m三心拱型可缩性L型棚支架；三级吸能 支护为液压抬棚和吸能液压支架联合支护。下面从 梯度结构角度进行支护层、锚固层、卸压层的参数说 明。 支护层采用36L-6. 0 m三心拱型可缩性L型 棚支架（二级支护）、液压抬棚和吸能液压支架进行 联合支护（三级支护）。可缩性L型钢支架棚距U0 为700 mm,支护阻力P”为1 200 kN；吸能液压支架 排距Uz为3. 46 m,支架工作阻力为4 500 kN,液压抬 棚间安装门式吸能液压支架之间，长度ut为3. 46 m, 液压抬棚工作阻力Pt为2 200 kN。 锚固层（一级支护）锚固层内采用锚杆锚索支 护，锚杆选用直径为22 mm的左旋无纵筋螺纹钢筋, 钢号为BHRB335号，长度为2 400 mm,锚杆排距Sl b 为900 mm,间距Sc b为950 mm;锚索采用017.8 mmX 6. 3 m的钢绞线，锚索排距Sl c为1. 8 m,间距Sc c为 1. 2 m。 卸压层采用钻孔卸压，卸压孔深不少于30 m, 钻孔直径 125 mm, 孔间距不大于 1 m。 卸压层内同 时采取爆破和煤层注水措施软化煤体。 4.2三级吸能支护强度三级吸能支护强度 锚固层内支护强度P（ 一级吸能支护强度），按 照设计锚杆锚索支护参数，取锚杆的轴力Tb为 200 kN,锚索的轴力亿为450 kN,结合式（7）计算锚 固层内的径向应力，计算时分别计算锚杆锚索的支护 强度，然后叠加在一起，计算结果为 Pm Tb Sl b Sc b s 0. 423 MP a Sl c S. 15 巷内支护层的支护强度pz可简化为L型钢支 架、液压抬棚和吸能液压支架强度的叠加（二、三级 吸能支护强度），由式（6）计算结果为 P P P p u z t 0.59 MP a （16） z 2 r0 U0 2 r0 Uz 2r0 Ut 4.3三级吸能支护强度的核算三级吸能支护强度的核算 下面采用上述三级吸能支护的强度计算方法, 核 算矿井的支护强度是否满足防冲安全需要。计算时 第9期王爱文等煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法3093 取矿井冲击地压等级为强烈冲击，冲击地压破坏系 数k取2,巷道半径ro为3. 1 m,巷内支护层半径r 为3.5 m，根据参考文献［17］,取支护层平均剪切模 量G1为3 GP a ,泊松比q为0. 3。锚固层半径电为 5.9 m、卸压层半径r3为33.5 m。根据参考文献［22- 23］的研究结果，锚固介质剪切模量G2为2 GP a，泊 松比q为0. 31；卸岩层内松散煤岩的剪切模量G3为 0. 1 GP a ,泊松比q为0.35；原岩层剪切模量G4为 3.0 GP a ,泊松比q为0.3