多軟弱層復合頂板動壓破壞過程及控制研究

李國余

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團 煤礦資源籌備處，山西 大同 037016)

軟弱交替分布的復合巖體是自然界非常復雜的巖體之一，該巖體具有非均質(zhì)、非連續(xù)、橫觀各項同性以及正交各項異性等力學特性[1-3]，給巷道的支護工作帶來了嚴重的挑戰(zhàn)。尤其是存在多層軟弱層的同煤集團晉華宮礦12-3#層301盤區(qū)，以8103工作面5103巷為例，受動壓影響下，頂板冒落時有發(fā)生，其中，車場段較為嚴重。

8103工作面煤層厚2～6.09 m，平均4.05 m，呈“楔狀”分布；底板為黑色砂質(zhì)頁巖，致密狀組織，厚度較大；老頂厚4.25 m，為細粉砂巖；直接頂厚4.2 m，為深灰色砂質(zhì)頁巖及細砂巖互層，以細砂巖為主，上部有0.70 m碳質(zhì)泥巖薄層狀結構，下部質(zhì)堅硬，由鉆孔攝像[4]得到直接頂詳細巖性分布，見圖1。5103巷車場斷面為矩形，寬4.5 m，高2.9 m，沿12-3#層頂板掘進，采用“錨桿(水泥托盤)+錨索(鋼托盤)”支護。

本文以該段巷道為研究對象，對動壓作用下多軟弱層復合頂板的破壞過程、破壞原因進行分析，提出“鋼帶錨桿”+“鋼梁錨索”的“鋼錨”聯(lián)合支護技術，并進行工業(yè)性試驗，取得了良好的效果。

1 動壓作用下多軟弱層復合頂板破壞過程分析

根據(jù)長期的拍照記錄，發(fā)現(xiàn)隨8103工作面或相鄰8101工作面采動影響程度的增強，5103巷多軟弱層復合頂板的破壞過程可以分為：拉伸起裂、裂隙貫通、局部冒落、大范圍冒落4個階段，見圖2。

圖1 5103巷直接頂巖性分布詳圖

1)拉伸起裂，巷道開挖后，頂板發(fā)生彎曲下沉，在錨桿、錨索的支護下，自重應力場中支護體承載能力大于其自身所受荷載，頂板保持穩(wěn)定，隨回采工作面的鄰近，超前支承壓力或相鄰^工作面的側向支承壓力升高，頂板下沉量上升，表面發(fā)生拉伸破壞。

2)裂隙貫通。由于巖體的非均質(zhì)性，裂隙的數(shù)量隨應力的增加而增多，且裂隙方向分布復雜，最終致使彼此裂隙相互貫通，頂板龜裂，完整性大幅度降低。

3)局部冒落。多軟弱層復合頂板軟、硬巖交界面處黏結力較小，在高采動應力下，各巖層間極易發(fā)生離層。監(jiān)測結果表明，最大離層值達到15 mm，此時，由于原支護方案中，錨桿、錨索彼此相互獨立，圍巖表面存在不被支護所控制的區(qū)域，巖體在自重作用下，發(fā)生局部冒落事故。

a)拉伸起裂 b)裂隙貫通

c)局部冒落 d)大范圍冒落

4)大范圍冒落。水泥托盤承載能力較低，在頂板“裂隙貫通”階段，托盤已開始發(fā)生破壞，采動應力上升后，托盤被壓碎，使錨桿失去支護效果。此外，由于巖層的起伏，局部錨桿錨固段位于軟巖之中，錨固力達不到設計要求，支護質(zhì)量得不到保證，使得高采動壓力下，“局部冒落”破壞范圍迅速擴大，形成大范圍的冒頂事故。

2 動壓作用下多軟弱層復合頂板破壞控制研究

2.1 控制內(nèi)容力學分析

研究認為作用在頂板巖層上部的豎向應力為使其破壞的主要因素之一，應力過大時，頂板巖梁破斷，最終形成拱形結構[5,6]，因此，可采用梁拱結構研究層狀頂板煤巷的冒落問題。煤幫支護時頂板第一層的力學模型見圖3，經(jīng)力學分析，得到頂板中部最大拉應力計算公式(1)。

圖3 壓曲破壞力學模型圖

(1)

式中：

σtmax—煤幫支護時頂板巖梁所受最大拉應力；

a'—梁拱破斷時向外偏移的跨度距離；

q—煤幫對頂板巖梁的反作用力；

b—巷道跨度。

對于5103巷，當下層細砂巖破壞后，與之相鄰的頁巖破壞模型轉化為圖3，仍然可以用式(1)進行承載力的計算分析。由式(1)可以看出，頂板第一層巖層厚度對頂板的拉伸破壞具有決定性作用，利用錨桿支護后，5103巷道接頂下部兩層細砂巖和一層頁巖被錨固到一起，頂板淺部巖層厚度由1.1 m增加到2.3 m，為前者的2.09倍，根據(jù)式(1)計算得，支護后頂板表面抗拉承載力為支護前的4.3倍。因此，提高巖層表面抗拉強度是多軟弱層復合頂板破壞控制的主要內(nèi)容。

2.2 現(xiàn)用支護方案分析

5103巷現(xiàn)用支護方案見圖4。

圖4 5103巷現(xiàn)用支護方案圖

根據(jù)上述分析，現(xiàn)用支護方案存在以下幾個問題：

1)頂板錨桿的支護使巷道淺部軟硬巖組合在一起，但錨桿之間相互獨立，彼此間缺少聯(lián)系，相鄰錨桿之間存在未被支護的淺層巖體，頂板下沉產(chǎn)生的拉應力將率先使上述位置發(fā)生拉伸破壞。

2)錨桿托盤為混凝土，承載力較弱，動壓作用下發(fā)生破壞使錨桿失效。

3)車場寬度達到4.5 m，錨桿形成的組合梁長度較大，錨索數(shù)量較少，且彼此間缺少必要的聯(lián)系，僅起到懸吊作用，錨索支護作用未能得到充分發(fā)揮。

4)5103巷沿煤層頂板掘進，兩幫及底板均為強度較弱的煤體，由上述分析可知，對兩幫的加強支護能大幅度減小梁拱破斷時向外偏移的跨度距離，降低頂板拉應力的峰值，保護頂板的穩(wěn)定性。

2.3 “鋼錨”聯(lián)合控制技術

基于上述分析，本文對5105巷道車場原有支護方案進行改進，支護參數(shù)見圖5。

圖5 “鋼錨”聯(lián)合支護方案圖

1)優(yōu)化錨桿、錨索布置方式，增加錨桿長度到2.2 m，使巷道直接頂下部3層巖體能更牢固地組合在一起。

2)利用W型鋼帶將錨桿支護聯(lián)系在一起，形成“鋼帶錨桿”，平均分配各錨桿軸力，分擔頂板淺部巖層變形產(chǎn)生的拉應力，同時，通過鋼帶的變形對頂板表面施加法向第三主應力，提高圍巖自身的承載能力。

3)通過11#工字鋼將錨索支護整合成一個整體，形成“鋼梁錨索”，在起到懸吊作用的同時，增加頂板的抗彎剛度，降低頂板彎曲變形量，進而減小頂板下部巖體承受的拉應力。

4)增加煤幫的支護強度，使其保持更好的穩(wěn)定性，支承頂板的上部荷載，減小梁拱破斷時向外偏移的跨度距離，達到間接支護頂板的目的。

2.4 工程應用

為了驗證“鋼錨”聯(lián)合支護技術的可行性，在8103工作面相鄰的8105工作面5105巷車場進行了工業(yè)性試驗，現(xiàn)場支護效果見圖6。

目前，該工作面已經(jīng)回采結束，在8103及8105工作面回采過程中，5105巷車場均保持良好的穩(wěn)定性，頂板最大沉降量28.3 mm，雖然淺部表層產(chǎn)生部分裂紋，但頂板并未發(fā)生冒落破壞，保證了煤礦的安全生產(chǎn)和工作人員的人身安全。

3 結 論

1)多軟弱層復合頂板的破壞過程可以分為：拉伸起裂、裂隙貫通、局部冒落、大范圍冒落4個階段，頂板破壞程度逐漸增大。

2)復合頂板淺部巖層最大拉伸應力與層厚的二次方成正比，5103巷錨桿支護前后，頂板表面抗拉承載力提高330％，此外，煤幫的穩(wěn)定對頂板拉應力也有較大影響。

3)“鋼帶錨桿”+“鋼梁錨索”的“鋼錨”聯(lián)合支護技術在分別發(fā)揮錨桿、錨索各自支護作用的同時，通過鋼帶、工字鋼梁使上述支護體形成一個整體，增加頂板表面抗拉強度，降低巖體拉伸應力。

4)工業(yè)性試驗表明，“鋼錨”聯(lián)合支護后，5105巷車場頂板最大沉降量28.3 mm，回采過程中未發(fā)生冒頂事故，保證了煤礦的安全生產(chǎn)和工作人員的人身安全。

參 考 文 獻

[1]張 農(nóng)，李寶玉，李桂臣，等．薄層狀煤巖體中巷道的不均勻破壞及封閉支護[J]．采礦與安全工程學報，2013，30(1)：1-6．

[2]黃書嶺，王繼敏，丁秀麗，等．基于層狀巖體卸荷演化的錦屏I級地下廠房洞室群穩(wěn)定性與調(diào)控[J]．巖石力學與工程學報，2011，30(11)：2203-2206．

[3]徐愛民，柳群義，朱自強，等．層狀巖體邊坡抗滑樁加固效應的數(shù)值分析[J]．中南大學學報(自然科學版)，2011，42(8)：2453-2458．

[4]靖洪文，李元海，梁軍起．鉆孔攝像測試圍巖松動圈的機理與實踐[J]．中國礦業(yè)大學學報，2009，38(5)：645-649．

[5]郝進海．薄層狀巨厚復合頂板回采巷道錨桿錨索支護理論及應用研究[D]．太原：太原理工大學，2005．

[6]高明仕，郭春生，李江鋒，等．厚層松軟復合頂板煤巷梯次支護力學原理及應用[J]．中國礦業(yè)大學學報，2011，40(3)：333-338．