煤矿巷道围岩的冲击破坏程度与支护形式密切相关,探究冲击地压矿井巷道U型钢的极限承载能力,是研究深部煤炭资源安全开采的重要课题,对矿井冲击地压的防治具有重要意义。本文以义马煤田典型冲击地压矿井为工程背景,建立均匀围压条件下U型钢支护变形的力学模型,给出U型钢变形量的解析解,对比分析均匀和不均匀荷载作用下U型钢和巷道的变形规律,研究了荷载增加时U型钢支护可承受的上覆岩层极限荷载和极限埋深。通过现场监测巷道不同U型钢支护条件下顶底板移近量、移近速度的变化,分析了提高U型钢承载能力来控制巷道变形和冲击地压的机理。研究结果表明:随着荷载增加,巷道变形量和应变能均将出现一个急剧加速点,该点可用来确定应用U型钢支护的极限埋深均匀荷载下为1 600 m,非均匀荷载下为1 400 m,当达到极限埋深时,U型钢将完全处于失效状态,巷道变形激增;在冲击地压矿井巷道进行U型钢支护设计时,改善围岩支护接触条件、对U型钢边界施加均匀荷载,对提高U型钢的支护性能具有重要作用。采用承载能力更大的U型钢支护方式能吸收更多来自围岩释放的能量,对巷道顶底板移近量的控制较为稳定,使得巷道变形无法瞬间激增,保证巷道的稳定性,实现对巷道冲击地压的有效控制。

国家自然科学基金（41872205）；北京市自然科学基金（8202041）；中国矿业大学（北京）“越崎青年学者”（2018QN13）；

1 U型钢支护变形量的理论解
2 U型钢支护承载数值模拟方案
2.1 工程背景
2.2 U型钢数值参数
2.3 数值模型及破坏准则
2.4 模拟步骤
3 U型钢支护承载力研究
3.1 均匀荷载作用下U型钢的位移
3.2 均匀荷载作用下U型钢的塑性铰
3.3 非均匀荷载作用下巷道位移与变形
3.4 非均匀荷载作用下应变能
3.5 均匀荷载和非均匀荷载的对比
4 U型钢支护现场应用
5 结 论

王宏伟,邓代新,姜耀东,石瑞明,周宏伟,崔帅.冲击地压矿井巷道U型钢支护极限承载能力研究[J].矿业科学学报,2021,6(02):176-187.