煤巷頂板軟弱夾層層位對(duì)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響

張 農(nóng) ，李桂臣 ，闞甲廣

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

1 引 言

國(guó)內(nèi)外煤礦開(kāi)采實(shí)踐表明，煤巷錨桿支護(hù)是配合機(jī)械化采煤實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)途徑[1－2]。以美國(guó)為例，錨桿支護(hù)是巷道頂板支護(hù)唯一方式，1977年修訂“煤礦健康與安全法案”更將其定為巷道頂板永久支護(hù)方式。由于效果好、操作簡(jiǎn)單，以至于美國(guó)在過(guò)去30年中，在錨桿作用機(jī)制以及根據(jù)特定條件設(shè)計(jì)不同支護(hù)系統(tǒng)方面并沒(méi)有做太多的研究（彭賜燈）[3]。但中國(guó)60%以上煤巷為III類及以下更復(fù)雜的圍巖條件，煤層頂板多是由強(qiáng)度低、分層厚度小、層間黏結(jié)差的多層薄層狀巖層組成，在采動(dòng)應(yīng)力作用下穩(wěn)定性差，冒頂事故時(shí)有發(fā)生，很難參照開(kāi)采條件相對(duì)簡(jiǎn)單的美、澳等國(guó)實(shí)施錨桿支護(hù)[2,4－6]。如何結(jié)合實(shí)際研發(fā)適合中國(guó)復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的煤巷錨桿支護(hù)是“九五”以來(lái)煤礦確定的最重要技術(shù)攻關(guān)方向之一，其中，含軟弱夾層頂板煤巷如何采用錨桿支護(hù)是需要重點(diǎn)研究的技術(shù)難題。以安徽兩淮礦區(qū)為例，多數(shù)煤巷屬于IV、V類條件，主采煤層頂板多含有軟弱夾層，影響掘進(jìn)施工安全和支護(hù)方式的選擇，棚式支護(hù)一直占有相當(dāng)?shù)谋壤?0%以上的巷道不得不采用U型鋼可縮支架支護(hù)，嚴(yán)重制約著礦區(qū)綜采工作面的高效快速推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者結(jié)合工程應(yīng)用研究取得了大量成果，樊克恭[7]研究了巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)過(guò)程，提出了非均稱控制機(jī)制?？导t普[5]指出，錨桿支護(hù)主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、張開(kāi)裂隙等擴(kuò)容變形與破壞。張志強(qiáng)等[8]研究了軟弱夾層的分布部位、分布距離、厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。楊為民等[9]認(rèn)為，軟弱夾層變形破壞與其本身工程特性、地下水的參與、地應(yīng)力狀態(tài)改變密切相關(guān)，對(duì)巷道錨噴支護(hù)十分不利。周維垣[10]認(rèn)為，地下洞室圍巖體失穩(wěn)的決定因素在于巖體中的結(jié)構(gòu)面，它直接制約著工程巖體變形、破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。這種因頂板含軟弱夾層導(dǎo)致安全可靠性差、無(wú)法使用錨桿支護(hù)的現(xiàn)象在我國(guó)煤礦普遍存在。

2 軟弱夾層頂板采動(dòng)失穩(wěn)的物理模擬

軟弱夾層是煤層復(fù)合頂板的一部分，頂板巖體內(nèi)存在的層狀或帶狀軟弱薄層，是層狀巖體中一種特殊成層結(jié)構(gòu)，包含巖體結(jié)構(gòu)中的軟弱結(jié)構(gòu)面、裂隙破碎帶、軟弱夾層、破碎夾層和泥化夾層。

物理模擬實(shí)驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自行研制的真 3軸巷道模擬試驗(yàn)臺(tái)上完成，整個(gè)試驗(yàn)共設(shè)計(jì)和制作了3個(gè)模型。3個(gè)模型分別將軟弱夾層的位置布置在錨桿錨固區(qū)內(nèi)、錨桿錨固區(qū)邊緣以及錨固區(qū)內(nèi)外同時(shí)布置兩層軟弱夾層(一層在錨固區(qū)內(nèi)，一層遠(yuǎn)離錨固區(qū))，鉛絲模擬錨桿支護(hù)，利用強(qiáng)力黏結(jié)劑進(jìn)行黏結(jié)錨固，觀察巷道在應(yīng)力加載中的破壞過(guò)程及最終狀態(tài)，測(cè)量頂板離層值，分析在不同應(yīng)力條件下頂板離層及巷道失穩(wěn)垮冒情況[11]。

試驗(yàn)中在常規(guī)材料配比上加入 3%鋸末模擬軟弱夾層，并采用顆粒較大的云母粉作層間間隔物，制作成近似泥巖或薄層煤線的軟弱夾層。應(yīng)力加載方案：當(dāng)巷道圍巖加載應(yīng)力小于圍巖原巖應(yīng)力時(shí)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力以相同值同時(shí)進(jìn)行加載；當(dāng)加載應(yīng)力大于圍巖1倍原巖應(yīng)力但小于3倍原巖應(yīng)力時(shí)，水平應(yīng)力按垂直應(yīng)力0.5倍進(jìn)行加載，且是先加垂直應(yīng)力后加水平應(yīng)力且持續(xù)加大水平應(yīng)力；當(dāng)加載應(yīng)力大于3倍原巖應(yīng)力時(shí)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力以相同值同時(shí)進(jìn)行加載，直至巷道發(fā)生離層垮冒失穩(wěn)破壞。

2.1 軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)內(nèi)

頂板條件如圖1所示，其中，軟弱夾層下部巖層為泥巖，上部巖層為砂巖，再上部為泥巖，該條件下軟弱夾層未出現(xiàn)明顯離層，巷道保持了較高的穩(wěn)定性，最終巷道破壞情況如圖2所示。

圖1 軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)內(nèi)Fig.1 Soft interlayer located inside the bolted zone

圖2 3倍σ1應(yīng)力狀態(tài)時(shí)巷道狀況Fig.2 Roadway failure under 3σ1 stress

2.2 軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣

頂板條件如圖3所示，軟弱夾層下部巖層為泥巖，上部巖層為泥巖，再上部為砂巖，這種條件下錨固區(qū)邊緣巖體層面間發(fā)生明顯破壞，軟弱夾層及其下部錨固體與上部巖體發(fā)生脫離，無(wú)法阻止離層垮冒的發(fā)生，最終巷道破壞及頂板離層情況如圖4、5所示。

圖3 軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣Fig.3 Soft interlayer located at the edge of the bolted zone

圖4 3倍σ1應(yīng)力狀態(tài)下巷道離層及垮冒情況Fig.4 Roadway separation and collapse under 3σ1 stress

圖5 加載過(guò)程中頂板離層曲線Fig.5 Roof bedding separation curves under loading

2.3 軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)外

頂板條件如圖6所示，錨桿錨固區(qū)內(nèi)軟弱夾層下部為泥巖，上部為砂巖，錨固區(qū)外軟弱夾層上部與下部均為泥巖。這種條件下軟弱夾層發(fā)生破壞，出現(xiàn)明顯的離層，但頂板錨固區(qū)整體穩(wěn)定性較好，只是顯現(xiàn)大范圍下沉，一般不會(huì)垮冒。最終巷道破壞與頂板離層情況如圖7、8所示。

圖6 軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)外Fig.6 Soft band located outside the bolted zone

圖7 3σ1應(yīng)力狀態(tài)下巷道圍巖狀態(tài)圖Fig.7 Roadway surrounding rock under 3σ1 stress

圖8 巷道頂板離層曲線Fig.8 Roof bedding separation curves

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

（1）軟弱夾層位于頂板錨桿錨固區(qū)內(nèi)、錨固區(qū)邊緣、錨固區(qū)外不同位置時(shí)，原巖應(yīng)力作用下巷道能夠保持較高穩(wěn)定性，軟弱夾層處離層并不明顯，巷道一般只發(fā)生片幫和明顯掉頂現(xiàn)象。

（2）圍巖應(yīng)力達(dá)到2～3倍原巖應(yīng)力時(shí)，軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)內(nèi)巷道下沉和片幫明顯，但未失穩(wěn)垮冒；軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣巷道兩幫變形和底鼓嚴(yán)重，離層值非常大，應(yīng)力繼續(xù)增高時(shí)，巷道很快失穩(wěn)垮冒，且錨桿被拉斷；軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)外時(shí)，軟弱夾層離層明顯，應(yīng)力持續(xù)增高時(shí)巷道變形嚴(yán)重，直接頂很快失穩(wěn)垮冒，較多錨桿被拉斷。軟弱夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣巷道最易失穩(wěn)垮冒。

（3）垂直應(yīng)力不變，水平應(yīng)力增大過(guò)程中巷道表面位移與軟弱夾層處離層值明顯加大，巷道片幫嚴(yán)重并逐漸垮落，直接頂與軟弱夾層處巖體發(fā)生明顯剪切破壞。

3 軟弱夾層巷道圍巖強(qiáng)化控制原理

針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軟弱夾層頂板提出煤巷圍巖預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)原理，具體包括錨桿支護(hù)承載性能強(qiáng)化、巷道破裂圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化和圍巖承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。

3.1 錨桿承載性能強(qiáng)化

煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)不再單純強(qiáng)調(diào)錨桿的強(qiáng)度，強(qiáng)化錨桿支護(hù)的綜合承載特性受到更多地關(guān)注，其本質(zhì)是促使錨桿支護(hù)特性曲線具有及時(shí)早強(qiáng)速增阻的特性，以充分利用支護(hù)材料、機(jī)具和裝備的進(jìn)步成果，如圖9所示。支護(hù)滯后常常產(chǎn)生松動(dòng)變形，通過(guò)及時(shí)安裝高預(yù)拉力錨桿提供初期的支護(hù)阻力消除掘巷煤巖體松動(dòng)變形，通過(guò)高剛度護(hù)表材料及錨桿附件，促使錨桿在后續(xù)圍巖變形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高增荷特性，很快達(dá)到較高工作載荷，限制后續(xù)圍巖變形，錨桿工作荷載如圖中曲線4所示，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)、高初錨力、高增荷特性，進(jìn)而達(dá)到高工作荷載，可控制巷道在掘進(jìn)期間變形；高強(qiáng)錨桿工作荷載如圖中曲線3所示，錨桿施工安裝時(shí)間滯后一些，增荷速度低一些，最終形成的工作荷載也有降低，掘巷期間圍巖變形就大一些，這是目前支護(hù)實(shí)踐中常見(jiàn)現(xiàn)象；傳統(tǒng)支護(hù)工作荷載如圖中曲線2所示，支護(hù)在圍巖充分松動(dòng)變形以前不起作用，壁后很空、和圍巖接觸不好的U型鋼支護(hù)類似這種狀況，掘巷期間圍巖變形很大，采動(dòng)時(shí)頂板松動(dòng)、離層，巷道變形嚴(yán)重。

圖9 支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系圖Fig.9 Boltload deflection characteristics

研究表明：煤巷錨桿支護(hù)錨桿對(duì)圍巖的初始支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.3 MPa，松散變形才比較小[12－15]。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜困難條件巷道的長(zhǎng)期維護(hù)，圖中曲線 5工作特性曲線是技術(shù)、材料和裝備發(fā)展方向，即以高強(qiáng)錨桿為基礎(chǔ)、以高預(yù)拉力為核心、以系統(tǒng)高剛度為關(guān)鍵的“三高”錨桿支護(hù)才能實(shí)現(xiàn)高效控制巷道圍巖變形的目標(biāo)。

3.2 破裂圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化

在高地應(yīng)力作用下，開(kāi)掘?qū)е碌膽?yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中(由三維向二維轉(zhuǎn)化)巷道低強(qiáng)度巖體大范圍破壞，同時(shí)巷道軸向約束并未因開(kāi)挖而產(chǎn)生較大改變，這就導(dǎo)致了破裂巖體向巷內(nèi)自由面變形，破裂后圍巖主要受結(jié)構(gòu)面控制，表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面向低約束方向的滑移，因此，巷道易發(fā)生頂幫冒落和底鼓。另一方面破裂巖體在低圍壓下強(qiáng)度低、變形大，對(duì)深部圍巖的約束壓力也較小，高地應(yīng)力或動(dòng)壓作用下深部巖體進(jìn)一步破壞，形成漸進(jìn)破壞的動(dòng)態(tài)循環(huán)，變形持續(xù)擴(kuò)大，因而破裂巖體性質(zhì)決定了高地應(yīng)力軟巖巷道的大變形特征。

只有對(duì)淺部低圍壓破裂巖體進(jìn)行有效加固，才能提高巷道圍巖的承載能力，控制圍巖變形。通常采用錨桿和注漿兩種加固方式。

（1）錨桿加固。在巷道周邊低圍壓條件下，巖體強(qiáng)度隨圍壓的逐步增大而呈急劇增長(zhǎng)趨勢(shì)，所以，要想提高破碎巖體承載強(qiáng)度，就必須增大其圍壓。相對(duì)被動(dòng)作用的U型棚支護(hù)，預(yù)拉力錨桿支護(hù)就是早期快速增大圍壓的最有效方式。及時(shí)安裝高預(yù)拉力錨桿改善了破裂巖體的應(yīng)力狀態(tài)，其承載性能明顯增強(qiáng)；從結(jié)構(gòu)面剪切破壞角度分析，錨桿構(gòu)件具有抗剪阻滑的作用，直接提高了巖體強(qiáng)度；從防止脆性斷裂出發(fā)，錨桿具有降低裂隙間應(yīng)力強(qiáng)度因子阻礙裂隙擴(kuò)展的作用。

（2）注漿加固。破裂巖石表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，在滑移變形過(guò)程中破裂巖石產(chǎn)生顯著的剪脹現(xiàn)象，隨時(shí)間延續(xù)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的體積膨脹。注漿固結(jié)體較破裂巖體強(qiáng)度和抗變形性能明顯提高，因此，在掘巷導(dǎo)致的圍巖破裂圈基本形成后，對(duì)其進(jìn)行注漿加固，可以大大提高圍巖承載力，改善圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)注漿固結(jié)體良好的適應(yīng)變形的能力，使其在相當(dāng)大的變形范圍內(nèi)保持承載能力，實(shí)踐表明，適時(shí)滯后注漿控制圍巖效果顯著[16]。

3.3 巷道圍巖結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化

深井高地應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖巷道，在采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、濕度應(yīng)力場(chǎng)和巖體層狀結(jié)構(gòu)的共同作用下，圍巖由整體性壓縮向局部擴(kuò)張轉(zhuǎn)化，直到支護(hù)圍巖承載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)新的動(dòng)態(tài)平衡，這些局部性擴(kuò)張轉(zhuǎn)化的區(qū)域就是關(guān)鍵承載區(qū)，即由于賦存不均勻性、大傾角導(dǎo)致高低幫的不對(duì)稱性、軟弱夾層、兩幫煤體、巷道四角等。在這些關(guān)鍵承載區(qū)巖體變形破裂的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，促成支護(hù)圍巖整體承載結(jié)構(gòu)的形成或強(qiáng)化，以多層次的聯(lián)合支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)支護(hù)體和圍巖間的主動(dòng)和動(dòng)態(tài)的相互作用，通過(guò)針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)減弱或控制關(guān)鍵區(qū)域的松動(dòng)變形破壞，維護(hù)巷道圍巖的整體承載性能。

基于這一原理，提出針對(duì)含軟弱夾層頂板煤巷的強(qiáng)化控制方案及對(duì)策，見(jiàn)表1。

表1 軟弱夾層層位及對(duì)應(yīng)強(qiáng)化控制對(duì)策Table 1 Selection of enhanced supporting scheme

4 軟弱夾層頂板巷道的安全分級(jí)及方案確定

4.1 軟弱夾層頂板巷道的安全分級(jí)

在含軟弱夾層頂板巷道失穩(wěn)特征分析基礎(chǔ)上，提出軟弱夾層頂板巷道的安全分級(jí)。首先提出軟弱夾層頂板巷道安全因子概念A(yù)Q，以反映軟弱夾層頂板巷道的安全系數(shù)[11]。影響軟弱夾層頂板巷道離層垮冒的因素較多，初步確定了軟弱夾層層位、受水影響與否、巷道受應(yīng)力環(huán)境影響(動(dòng)壓影響)、軟弱夾層巖性、厚度、與周圍巖體相對(duì)強(qiáng)度、凝聚力、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等10個(gè)因素，采用層次分析法，將各影響因素進(jìn)行了比較值的分配，建立了判斷矩陣，利用矩陣的n次方根法求得了特征向量及具體影響因子，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得安全影響因子 AQ值的最大值和最小值分別為Bmax=0.722 1，Bmin=0.085 1，AQ取整最小值為0.08，最大值為0.73，即得到了安全影響因子的影響區(qū)間(0.08，0.73)，由于權(quán)值的分配做了充分的比較，因而將得到安全區(qū)間進(jìn)行了平均分配，得到了軟弱夾層頂板巷道的影響因素的安全分級(jí)為5級(jí)，具體如表2所示。

表2 軟弱夾層巷道頂板安全分級(jí)Table 2 Safety classification of roof with soft interlayer

4.2 方案確定

在支護(hù)設(shè)計(jì)中，單靠人工對(duì)這些因素的直接綜合作用結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析是十分復(fù)雜和繁瑣的。為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程，實(shí)現(xiàn)軟弱夾層頂板巷道支護(hù)方案的高效率設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了“軟弱夾層頂板巷道安全等級(jí)判定及加強(qiáng)支護(hù)方案”軟件。

程序設(shè)計(jì)總體思路：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的頂板具體巖性的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，輸入程序后得到對(duì)應(yīng)頂板條件的安全因子，從而判定頂板安全等級(jí)；再利用結(jié)合具體的巖性及地質(zhì)條件形成的支護(hù)方案和參數(shù)選擇數(shù)據(jù)庫(kù)，輸出一個(gè)最佳支護(hù)方案和強(qiáng)化控制對(duì)策，如圖10所示。

圖10 軟弱夾層頂板巷道安全等級(jí)判定程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.10 Flow chart of roof safety classification

5 成果應(yīng)用

課題組經(jīng)過(guò)6年聯(lián)合攻關(guān)，完成了軟弱夾層頂板巷道圍巖強(qiáng)化支護(hù)理論、成套超高強(qiáng)(錨桿)支護(hù)技術(shù)、新型支護(hù)材料研制、各類別工業(yè)性試驗(yàn)及推廣應(yīng)用、技術(shù)管理規(guī)范、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容的研究。研究成果已在淮南礦業(yè)集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)成功應(yīng)用達(dá)350 000余米，節(jié)約支護(hù)成本超過(guò)150 000萬(wàn)元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，如表3所示。目前，項(xiàng)目所取得的技術(shù)成果正以10 000 m左右的月進(jìn)尺在兩礦區(qū)推廣應(yīng)用。上述研究成果豐富了頂板控制理論，顯著提高了兩淮礦區(qū)煤巷頂板控制技術(shù)水平。

表3 淮南、淮北礦區(qū)煤巷錨桿支護(hù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Bolting statistics in Huainan and Huaibei mining area

6 結(jié) 論

（1）研究了軟弱夾層在頂板不同位置、不同應(yīng)力環(huán)境特別是動(dòng)壓作用下離層垮冒的影響規(guī)律，高水平應(yīng)力使軟弱夾層巖體及下位巖體發(fā)生剪切破壞進(jìn)而離層垮冒，動(dòng)壓作用影響下巷道則因頂板結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)而垮冒。

（2）形成了包括錨桿支護(hù)承載性能強(qiáng)化、巷道破裂圍巖體強(qiáng)度強(qiáng)化和圍巖承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的煤巷圍巖預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化控制技術(shù)原理與控制對(duì)策。

（3）提出了軟弱夾層頂板巷道安全因子 AQ的概念，以反映軟弱夾層頂板的安全等級(jí)(非常危險(xiǎn)、危險(xiǎn)、相對(duì)安全、較安全、安全)，并利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行了安全分級(jí)并成功指導(dǎo)與應(yīng)用于工程實(shí)踐取得良好結(jié)果。

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