掘进巷道空顶板壳理论分析与超越函数的数值解算及其验证

合理空顶距的确定对巷道安全高效掘进意义重大.采用理论推导计算与数值模拟相结合的方法,对不同空顶距离的掘进巷道围岩应力分布及塑性区演化特征进行分析,并提出安全合理空顶距离及支护优化设计.结果表明:掘进工作面超前煤体内部塑性区宽度与超越函数特征值呈负相关自然对数关系,当特征值为0时,塑性区最大宽度为2.02 m;推导所得公式中煤层埋深、巷道断面尺寸及煤岩物理力学参数是影响塑性区数值大小的主要因素;受载矩形薄板最大跨度取决于薄板中心处拉应力大小,拉应力与直接顶抗拉强度比值大于1,顶板发生力学破断;掘进工作面超前煤体应力场遵循非均匀连续性且在模型固支边逐渐增大的特征规律,模拟结果印证了4.71 m计算结果为极限空顶距离,此时顶板未发生破断;在保证井下作业安全的前提条件下,确定4.0 m为空顶距离,提高综掘效率,加快成巷速度,缓解采掘接替紧张.