復(fù)合頂板回采巷道災(zāi)后的垮塌狀態(tài)

張國(guó)華，郝傳波，于會(huì)軍，許元華

( 1．黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黑龍江科技大學(xué))，哈爾濱150022; 2．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022; 3．黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱150022)

復(fù)合頂板回采巷道災(zāi)后的垮塌狀態(tài)

收稿日期: 2013-11-17
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 51374097) ;黑龍江省煤炭生產(chǎn)安全管理局資助項(xiàng)目( 2012)
第一作者簡(jiǎn)介:張國(guó)華( 1971-)，男，黑龍江省訥河人，教授，博士，研究方向:采動(dòng)圍巖災(zāi)變與控制、瓦斯災(zāi)害防治，E-mail: zgh710828131 @163．com。

張國(guó)華1，2，郝傳波1，3，于會(huì)軍2，許元華1，2

( 1．黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黑龍江科技大學(xué))，哈爾濱150022; 2．黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022; 3．黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱150022)

在闡述災(zāi)后回采巷道垮塌對(duì)安全快速救援具有重要影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦壓相關(guān)理論，分析了復(fù)合頂板回采巷道在錨桿懸吊原理和組合原理下的垮塌狀態(tài)，分別推導(dǎo)出了垮空區(qū)高度計(jì)算公式以及巷道垮塌后能夠造成巷道堵塞的條件，并依據(jù)不同的復(fù)合頂板條件，從利于災(zāi)后救援的角度出發(fā)，對(duì)回采巷道支護(hù)提出了相應(yīng)工程建議。當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較小時(shí)，宜采用錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù);當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較大時(shí)，則宜采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，并兼顧利用錨桿的組合作用、錨索的懸吊作用以及金屬網(wǎng)的擋護(hù)作用。該研究對(duì)救援過(guò)程中預(yù)判巷道垮塌對(duì)救援的影響，制定相應(yīng)處理方案，以及提高巷道圍巖控制質(zhì)量和抗災(zāi)能力，均具有重要的參考價(jià)值。

復(fù)合頂板;回采巷道;救援;垮塌;堵塞

0引言

巷道垮塌以至于堵塞巷道，對(duì)煤礦井下災(zāi)后應(yīng)急救援影響非常大，主要表現(xiàn)為中斷井下通風(fēng)網(wǎng)路、阻斷逃生路線(xiàn)、延遲救援人員到達(dá)待援人員駐留區(qū)的時(shí)間等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，井下瓦斯爆炸等重大災(zāi)害發(fā)生時(shí)，第一現(xiàn)場(chǎng)瞬間死亡的人數(shù)比例不到10%，其余絕大部分則因氣體中毒、逃生路線(xiàn)受阻無(wú)法及時(shí)撤離、氧氣耗盡窒息、長(zhǎng)時(shí)間得不到補(bǔ)給和及時(shí)救治而喪生[1-5]。

由于井下作業(yè)一般以工作面采煤和回采巷道掘進(jìn)為主，瓦斯爆炸又多發(fā)生在作業(yè)區(qū)內(nèi)，故能夠發(fā)生垮塌的巷道以回采巷道最為常見(jiàn)[6-9]。長(zhǎng)期以來(lái)，隨著廣大科技工作者對(duì)巷道圍巖控制理論和技術(shù)的深入研究，巷道圍巖的控制效果和質(zhì)量有了顯著的提高，抗破壞能力也得到了明顯增強(qiáng)?？梢哉f(shuō)，在礦井正常生產(chǎn)期間基本上均能夠保證巷道的正常使用，但在瓦斯爆炸等強(qiáng)沖擊破壞力的作用下，巷道垮塌以至于造成局部堵塞并影響正常救援的情況依然存在。

除了節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎圍巖和地質(zhì)破碎帶之外，分層厚度小、分層數(shù)目多的復(fù)合頂板，在瓦斯爆炸等沖擊破壞作用下也容易發(fā)生巷道垮塌并導(dǎo)致巷道堵塞。此類(lèi)頂板在煤礦回采巷道中也較為常見(jiàn)，故筆者以其為研究對(duì)象，探討其在瓦斯爆炸沖擊破壞作用下的巷道垮塌形式以及在巷道內(nèi)的堆積充填狀態(tài)，旨在為井下發(fā)生瓦斯爆炸后，提前預(yù)判災(zāi)后巷道破壞、垮塌與堵塞程度，為救援方案的制定提供支持。

1復(fù)合頂板錨桿支護(hù)原理

從利于回采巷道圍巖穩(wěn)定的角度出發(fā)，為減少對(duì)層狀頂板完整性的破壞，煤層中的回采巷道斷面形狀多開(kāi)掘?yàn)榱⑦呅表斝?，如圖1所示，其頂板支護(hù)也多采用錨桿主動(dòng)支護(hù)。

復(fù)合頂板是回采巷道常見(jiàn)的一種頂板類(lèi)型，其宏觀特征主要表現(xiàn)為層理發(fā)育、分層數(shù)目多、分層厚度小和累積厚度較大的巖層組。當(dāng)采用錨桿支護(hù)時(shí)，因錨桿長(zhǎng)度和復(fù)合頂板巖層組累積厚度的不同，其支護(hù)原理也不一樣。若復(fù)合頂板巖層組的累積厚度較大，所采用的錨桿長(zhǎng)度小于其累積厚度，在頂板內(nèi)安設(shè)錨桿。其目的在于將下位有限范圍內(nèi)的巖層分層組合在一起，形成一個(gè)相對(duì)厚度較大、穩(wěn)定性較好的組合梁，從而使其達(dá)到整體穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)錨桿所起的作用是組合梁作用(圖1a)。若復(fù)合頂板巖層組的累積厚度較小，錨桿長(zhǎng)度大于其累積厚度，在頂板內(nèi)安設(shè)錨桿，旨在將下位不穩(wěn)定的復(fù)合巖層組懸吊固定在上位穩(wěn)定巖層上，以此使頂板達(dá)到整體穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)錨桿所起的作用則是懸吊作用(圖1b)。

圖1 回采巷道復(fù)合頂板錨桿支護(hù)原理Fig．1 Anchor bolt support principle about composite roof of mining gateway

錨桿支護(hù)屬于非全封閉支護(hù)，在瓦斯爆炸時(shí)會(huì)對(duì)巷道圍巖和圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種作用:一是爆炸沖擊力對(duì)圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬間反向位移作用;二是爆炸瞬間高壓氣體對(duì)圍巖裂隙產(chǎn)生氣脹作用。前者會(huì)使圍巖裂隙數(shù)目增加，圍巖-支護(hù)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生改變;后者則會(huì)使圍巖內(nèi)部原有的裂隙擴(kuò)展延伸，圍巖完整性進(jìn)一步惡化。在二者的綜合作用下，有可能導(dǎo)致巷道局部破壞，進(jìn)而發(fā)生連鎖失穩(wěn)并導(dǎo)致巷道整體垮塌。

2錨桿懸吊作用下復(fù)合頂板的垮塌狀態(tài)

2. 1 兩幫穩(wěn)定

由于錨桿是將復(fù)合頂板懸吊于上位相對(duì)厚而穩(wěn)定的巖層之上，若發(fā)生垮落，其垮落的巖層將是復(fù)合頂板范圍內(nèi)的巖層，垮落之后的頂板暴露巖層將是上位厚而穩(wěn)定的巖層，因此垮空區(qū)的斷面形狀近似平行四邊形，如圖2所示。此時(shí)，垮冒體在巷道內(nèi)的堆積高度h可按下式計(jì)算，即

式中:∑d——復(fù)合頂板的厚度;

k——碎脹系數(shù);

α——煤巖層的傾角。

若垮落堆積體能夠?qū)⑾锏莱涮顫M(mǎn)并造成巷道堵塞，其滿(mǎn)足的條件為

式中: H——巷道中高。

圖2 兩幫穩(wěn)定時(shí)復(fù)合頂板垮落計(jì)算Fig．2 Calculation diagram of composite roof collapse under both sides steady

2. 2 兩幫不穩(wěn)定

兩幫不穩(wěn)定時(shí)，由于兩幫的失穩(wěn)會(huì)使巷道跨度加大，此時(shí)，復(fù)合頂板冒落之后的垮空區(qū)斷面形狀仍近似平行四邊形，如圖3所示。

圖3 兩幫不穩(wěn)定時(shí)復(fù)合頂板垮落計(jì)算Fig．3 Calculation diagram of composite roof collapse under both sides not steady

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，此時(shí)因巷道下幫失穩(wěn)而造成巷道沿傾斜方向上的增寬寬度a1為

式中: dm——煤層厚度;

φ——煤體內(nèi)摩擦角。

相應(yīng)地，因上幫失穩(wěn)而造成巷道增寬的寬度a2為

此時(shí)，在單位長(zhǎng)度巷道上，下幫失穩(wěn)后的體積V1、上幫失穩(wěn)后的體積V2以及復(fù)合頂板范圍內(nèi)巖層垮落后的體積V3分別為

式中: km——煤體的碎脹系數(shù);

a——原巷道寬度。

由于兩幫及復(fù)合頂板組合巖層失穩(wěn)后的煤巖體均堆積到巷道內(nèi)，其堆積體的中高h(yuǎn)可通過(guò)下列方程組求得，即

式中: L——巷道內(nèi)垮落堆積體頂面斜向?qū)挾?

h0——巷內(nèi)垮落堆積體沿煤層層面方向上的高度。

將式( 3)～( 7)代入方程組( 8)，整理得:

若垮落堆積體將巷道充滿(mǎn)并造成巷道堵塞，其滿(mǎn)足的條件為

3錨桿組合作用下復(fù)合頂板的垮塌狀態(tài)

3. 1 兩幫穩(wěn)定

對(duì)于在錨桿組合作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)的復(fù)合頂板，若在兩幫穩(wěn)定時(shí)巷道發(fā)生垮塌，將存在兩種情況，一是組合梁整體失穩(wěn);二是因錨桿間破碎漏空導(dǎo)致整個(gè)組合梁失穩(wěn)。但無(wú)論是哪種情況，都有可能導(dǎo)致組合梁以上的復(fù)合頂板巖層分層發(fā)生連續(xù)失穩(wěn)垮落，最終垮空區(qū)斷面的形狀仍為近似平行四邊形，如圖4所示。

圖4 兩幫穩(wěn)定時(shí)組合梁垮落計(jì)算Fig．4 Calculation diagram of combination beam collapse under both sides steady

此時(shí)，設(shè)頂板巖層的碎脹系數(shù)為k，則組合梁垮落堆積在巷道內(nèi)的堆積體的中高h(yuǎn):

式中:∑d1——組合梁的厚度;

∑d2——組合梁以上的復(fù)合頂板巖層冒落厚度。

對(duì)于組合梁以上復(fù)合頂板巖層冒落厚度∑d2的確定，首先將組合梁以上的復(fù)合頂板巖層分層均視為固支梁，并自下而上依次編號(hào)為1、2、…、n。根據(jù)礦壓理論[10-11]，各巖層分層的極限跨距的計(jì)算式:

式中: Li——第i層巖層分層的極限跨距;

di——第i層巖層分層的厚度;

σti——第i層巖層分層的抗拉強(qiáng)度;

n——安全系數(shù)，取n =6;

q——第i層巖層分層所承受的載荷。

由于復(fù)合頂板是由多層巖層分層組合而成，在計(jì)算第一層巖層的極限跨距時(shí)應(yīng)考慮各分層之間的相互影響。n層巖層分層對(duì)第一層巖層分層所形成的載荷( qn)1計(jì)算式:式中: Ei、γi——第i( i =1，2，…，n)巖層的彈性模量和容重。

當(dāng)計(jì)算到( qn +1)1<( qn)1時(shí)，則將( qn)1作為式( 12)中的q來(lái)計(jì)算。此時(shí)，若通過(guò)式( 12)計(jì)算所得第一層巖層分層的極限跨距小于巷道斜向跨度，即，則第一巖層分層將失穩(wěn)垮落，進(jìn)而再按上述過(guò)程依次判定第2、3、…、n層巖層分層是否失穩(wěn)垮落。于是，各失穩(wěn)垮落巖層分層厚度累加，即可得到∑d2。

同理，若巷道內(nèi)的垮落堆積體能夠造成巷道堵塞，其滿(mǎn)足的條件為

3. 2 兩幫不穩(wěn)定

若兩幫不穩(wěn)定，則會(huì)因片幫失穩(wěn)而導(dǎo)致巷道跨度加大，組合梁因兩端承載點(diǎn)外移而發(fā)生垮落，如圖5所示。

圖5 兩幫不穩(wěn)定時(shí)組合梁垮落計(jì)算Fig．5 Calculation diagram of combination beam collapse under both sides not steady

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，此時(shí)因巷道下幫失穩(wěn)而造成巷道沿傾斜方向上的增寬寬度a1為

相應(yīng)地，因上幫失穩(wěn)而造成巷道增寬的寬度a2為

此時(shí)，在單位長(zhǎng)度巷道上，下幫失穩(wěn)后的體積V1、上幫失穩(wěn)后的體積V2以及復(fù)合頂板落后的體積V3分別為

∑d2的確定過(guò)程同3. 1所述，但在其計(jì)算過(guò)程中，由于巷道跨度因巷幫失穩(wěn)而增大，故此時(shí)應(yīng)根據(jù)來(lái)判定該巖層分層是否失穩(wěn)，從而累積計(jì)算出∑d2。

由于兩幫、組合梁及組合梁上位復(fù)合巖層失穩(wěn)后的煤巖體均堆積到巷道內(nèi)，同理，可得堆積體的中高h(yuǎn):

若巷道發(fā)生堵塞，則需滿(mǎn)足下列條件:

4 工程意義

由式( 2)和式( 14)，對(duì)于復(fù)合頂板，在巷幫穩(wěn)定的條件下，頂板垮落后能否造成巷道堵塞，與巷道中高、頂板碎脹系數(shù)、煤巖層傾角有關(guān)。相比而言，在組合梁條件下，因復(fù)合頂板巖層組累積厚度大，更容易造成巷道堵塞，此時(shí)垮落的頂板不僅包括組合梁厚度范圍內(nèi)的巖層分層，還可能包括組合梁之上的巖層分層。

由式( 10)和式( 21)，在兩幫不穩(wěn)定條件下，頂板垮落后能否造成巷道堵塞，則與煤層厚度、煤層碎脹系數(shù)、巷道寬度、煤巖層傾角、頂板巖層碎脹系數(shù)有關(guān)。相比之下，復(fù)合頂板內(nèi)巖層分層的累積厚度越大，頂板失穩(wěn)垮落后越容易造成巷道堵塞。

同時(shí)，對(duì)比式( 2)和( 10)以及式( 14)和( 21)可知，在同樣厚度條件下，兩幫不穩(wěn)定時(shí)，因巷幫失穩(wěn)造成巷道跨度加大，結(jié)果會(huì)使巷道更容易堵塞。

由上，對(duì)于復(fù)合頂板回采巷道，若存在瓦斯爆炸導(dǎo)致巷道垮塌堵塞以至影響救援的可能性時(shí)，應(yīng)在巷道初期形成過(guò)程中就著手于巷道的支護(hù)質(zhì)量，尤其要加強(qiáng)對(duì)巷幫的支護(hù)，以避免和減小對(duì)災(zāi)后救援的影響。據(jù)此，當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較小時(shí)，宜采用錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù);當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較大時(shí)，則宜采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，即采用錨桿使復(fù)合頂板下位巖層分層形成組合梁，再采用錨索將組合梁二次懸吊于深部穩(wěn)定巖層之上，從而提高巷道的抗破壞能力。之所以采用金屬網(wǎng)，主要用于防止錨桿之間出現(xiàn)漏空而導(dǎo)致頂板發(fā)生連鎖失穩(wěn)。

5結(jié)論

( 1)對(duì)于復(fù)合頂板回采巷道，在瓦斯爆炸沖擊破壞作用下，存在發(fā)生垮塌和堵塞救援線(xiàn)路的可能。當(dāng)巷道垮塌后，頂板垮空區(qū)形狀近似平行四邊形，垮空高度和對(duì)巷道的堵塞程度與巷幫穩(wěn)定與否有關(guān)。

( 2)當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度相對(duì)較小并采用錨桿懸吊原理支護(hù)時(shí)，其垮空高度取決于復(fù)合頂板的厚度;當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較大并采用錨桿組合原理支護(hù)時(shí)，其垮空高度不僅取決于組合梁的厚度，還取決于組合梁之上的巖層分層的自身穩(wěn)定程度。相比較而言，兩幫失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致巷道跨度加大，從而增加頂板垮落以及堵塞巷道的可能性。

( 3)從利于災(zāi)后事故救援角度出發(fā)，避免和減少巷道垮塌對(duì)安全、快速救援的影響，在巷道形成過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)以及施工質(zhì)量，尤其要加強(qiáng)對(duì)巷幫的支護(hù)。當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較小時(shí)，宜采用錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù);當(dāng)復(fù)合頂板巖層分層累積厚度較大時(shí)，則宜采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，兼顧利用錨桿的組合作用、錨索的懸吊作用以及金屬網(wǎng)的擋護(hù)作用。

( 4)該研究對(duì)降低災(zāi)后復(fù)合頂板回采巷道失穩(wěn)垮塌的可能性和對(duì)救援工作的影響，預(yù)判其垮塌形式和狀態(tài)，提高其抗災(zāi)能力，均具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 郝傳波，張國(guó)華，胡 剛，等．煤礦井下災(zāi)后救援中垮塌巷道研究的展望[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012( 6) : 549-552．

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[11]張國(guó)華，李鳳儀．礦井圍巖控制與災(zāi)害防治[M]．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009．

(編輯 晁曉筠)

Analysis of collapse shape about mining gateway under condition of composite roof after disaster

ZHANG Guohua1，2，HAO Chuanbo1，3，YU Huijun2，XU Yuanhua1，2
( 1．Heilongjiang Ground Pressure&Gas Control in Deep Mining Key Lab( Heilongjiang University of Science&Technology)，Harbin 150022，China; 2．School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China; 3．Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Following the discussion that mining gateway collapse has important influence on safe and rapid rescue，this paper analyzes the collapse shape of composite roof mining gateway under anchor bolt suspension principle and combination principle，combined with mine pressure theory，offers the height calculation formula of collapse empty area and conditions more likely to block rescue route after mining gateway collapse，and from the perspective of rescue，gives the corresponding suggestion for support of mining gateway according to different composite roof conditions．The composite roof stratum layers of minor cumulative thickness render it advisable to achieve a combined support using the combination of anchor bolt and metal net; the stratum layers of a greater cumulative thickness make it suitable to effect a combined support using the combination of anchor bolt and cable and metal net，with concurrent use of anchor bolt’combination function，and cable’s suspension function，and metal net’s block-protect function．The study is of important reference value to prejudging the influence of mining gateway collapse on rescue，drawing up disposal schemes before carrying out the rescue，improving control quality about mining gateway surrounding rocks，and upgrading the anti-disaster ability about mining gateway．

composite roof; mining gateway; rescue; collapse;blocking

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 002

TD322. 4

2095-7262( 2014) 01-0006-05

A