巷道掘进合理空顶距的确定方法

张建平

(西山煤电西铭矿一采区 山西 太原 030000)

巷道掘进合理空顶距的确定方法

张建平

(西山煤电西铭矿一采区 山西 太原 030000)

本文运用在大宁煤矿检测到的一些顶板围岩共同支护数据，以实例讲解了巷道未支护的顶板不垮落条件下，如何从理论上确定合理的空顶距。分析了客观实际操作中需要考虑的其他因素，提出了如何确定巷道掘进合理空顶距的确定方法。

掘进巷道；合理；空顶距；确定方法

0 引言

矿山施工作业时经常会考虑如何确定一条巷道的合理空顶距。空顶距就是指在未支护的顶板不垮落条件下，巷道在掘进方向的空间长度为空顶距。作为煤矿施工中如何从理论上确定合理的空顶距，是必须解决的技术问题。合理空顶距的确定，可以充分发挥掘巷机械的效率，保障施工人员的安全，进而保证安全生产。本文在此做一些粗略研究与大家共议。

1 空顶距计算的力学模型

根据大宁煤矿在掘巷道的顶板组成情况，可将巷道顶板中最下面的0.5米厚顶煤不垮落作为巷道顶板天然稳定的标志。因此，当巷道跨度一定时，最大空顶距取决于悬露顶煤在巷道掘进方向上的最大可稳定长度。

从力学角度看，巷道顶板中悬空的顶煤相当于四边固定支承的矩形薄板。设巷道跨度为a，顶板在掘进方向的未支护长度为b，顶煤厚度为h，则空顶范围内顶煤的工作状态如图1-1所示。

图1-1 空顶范围内的巷道顶板

2 薄（顶）板的稳定条件

通过研究0.4米厚顶煤以固支板的状态存在时的边界应力，可以得到它的稳定条件，进而获得该板稳定条件下的最大长度。

图2 -2 巷道悬露顶板的力学模型

研究四边固支矩形薄板的力学模型及坐标系如图2-2所示。根据有关薄板的理论，在均布载荷q作用下，板内的应力分布为：

式中E为板的弹性模量，μ为板的泊松比，且有：

实际工作状态下的巷道顶煤一般为双向板，按照双向板的力学特点，四边固定支撑的板在两个长边界承担的载荷大于两个短边界承担的载荷，且板在固支边界中点截面的拉应力及相应弯矩最大。因此，板在两个长边界上的破坏与否，将决定整个板的稳定性。由（1）式可得两个长边界上部处）的应力分布为：

在上述应力中，拉应力σx对所作用边界的断裂起决定性作用。 取，由（2）式可以得到（0,y,-h/2）和（a,y,-h/2）边界上x方向的最大拉应力σxmax为 ：

如果板材的抗拉强度为σt，则当σxmax<σt时板是安全的，因此，巷道顶板稳定的条件可以表示为：

将有关参数代入上式，最终得到：

满足上式的最大b值就是巷道掘进时的最大空顶距。

3 薄（顶）板上的载荷

从大宁煤矿已揭露的顶板岩层情况来看，上述0.4米坚硬顶煤之上有1.2米左右较软弱的煤层和0.4米比较破碎的泥岩，这三部分岩层的重量是厚为0.4米的坚硬顶煤以板的状态存在时承受的载荷，集度为：

4 计算结果及结论

3#煤的抗拉强度为0.82～1.7MPa，作为板来研究的0.4米厚顶煤是抗拉强度最高的，因此计算时取σt=1.7MPa。将σt=1.7MPa、h=0.4m、a=5.5m、π=3.14 和 q=0.312MPa 代入到（4）式，最终可以求得满足该式的b值为b<8.8m，即理论计算得到的最大空顶距为8.8米。

需要注意的是，上述结果是在理想化条件下获得的，且认为巷道两帮对顶板提供了足够的支撑。实际上，巷道两帮煤壁的稳定情况是影响空顶范围内人员安全的另一个不可忽视的重要因素，工程上合理的空顶距还应当根据施工中煤壁的稳定情况确定安全系数。综合考虑各项因素，如果安全系数定为1.3，则空顶距为6.8m；如果安全系数定为1.4，则空顶距为6.3m。总之，最终的空顶距应当在8.8米以内根据巷道顶板及两帮煤体的完整程度进行适当调整。

汤静］