巷道頂板蝶葉塑性區(qū)穿透致冒機(jī)理與控制方法

賈后省，馬念杰，朱乾坤

(1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作　454003;2．煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作　454003;3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京　100083)

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巷道頂板蝶葉塑性區(qū)穿透致冒機(jī)理與控制方法

賈后省1，2，馬念杰3，朱乾坤1，2

(1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454003;2．煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作454003;3．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

摘要:針對(duì)高偏應(yīng)力環(huán)境下層狀頂板巷道冒頂事故頻發(fā)、支護(hù)困難等問(wèn)題，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)等綜合研究方法，揭示了層狀頂板巷道蝶葉塑性區(qū)的分布規(guī)律，闡明了蝶葉塑性區(qū)穿透分布致使巷道冒頂?shù)牧W(xué)機(jī)制，結(jié)果表明:蝶葉塑性區(qū)具有隔層穿透發(fā)育的特征，未發(fā)生塑性破壞巖層的存在不能阻斷蝶葉塑性區(qū)在軟弱巖層形成;頂板蝶葉塑性區(qū)穿透分布伴有強(qiáng)烈的變形壓力，使軟弱巖層塑性區(qū)下位未發(fā)生塑性破壞巖層受到持續(xù)巨大的“擠壓”載荷，致使其發(fā)生斷裂破壞，是巷道存在冒頂隱患的內(nèi)在原因。據(jù)此提出了防止此類巷道冒頂?shù)年P(guān)鍵在于維護(hù)塑性區(qū)圍巖穩(wěn)定，需錨桿(索)長(zhǎng)度大于塑性區(qū)邊界，且具備可承受大變形而不破斷的能力。基于以上研究，對(duì)神東保德礦81306二號(hào)回風(fēng)巷進(jìn)行了支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該支護(hù)對(duì)策能夠有效維持巷道頂板穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:層狀頂板;塑性區(qū);巷道冒頂;圍巖控制

賈后省，馬念杰，朱乾坤．巷道頂板蝶葉塑性區(qū)穿透致冒機(jī)理與控制方法［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(6):1384－1392．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1367

Jia Housheng，Ma Nianjie，Zhu Qiankun．Mechanism and control method of roof fall resulting from butterfly plastic zone penetration［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1384－1392．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1367

巷道冒頂控制問(wèn)題一直以來(lái)是巷道支護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，冒頂事故具有較高的隱蔽性、突發(fā)性和高度危險(xiǎn)性，給人們帶來(lái)了巨大的精神壓力、心理恐懼和財(cái)產(chǎn)損失［1－4］。巷道頂板的塑性破壞是產(chǎn)生冒頂?shù)闹匾?，認(rèn)清巷道冒頂機(jī)理必須掌握巷道圍巖的塑性區(qū)分布規(guī)律，由于巷道圍巖的特點(diǎn)一般是非均質(zhì)的，具有分層特點(diǎn)，其所處的應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境特征一般也是非均勻的［5－9］，這種環(huán)境下的圍巖塑性破壞形態(tài)勢(shì)必出現(xiàn)不同于均勻應(yīng)力場(chǎng)或者均質(zhì)圍巖條件下的形態(tài)特征。因此，研究非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下層狀頂板巷道塑性區(qū)分布規(guī)律與冒頂機(jī)理，尋求解決巷道冒頂問(wèn)題的實(shí)用方法，是煤礦開(kāi)采中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

巷道冒頂實(shí)質(zhì)上是由圍巖塑性破壞引起的，關(guān)于非均勻應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境下的巷道圍巖塑性區(qū)與冒頂機(jī)理研究，文獻(xiàn)［10］采用數(shù)值模擬分析方法，研究了非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下圓形巷道和矩形巷道的圍巖塑性區(qū)分布，結(jié)果顯示塑性區(qū)呈現(xiàn)“*”形、半“*”形分布特征，初步探討了特定條件下塑性區(qū)的蝶葉形態(tài);文獻(xiàn)［11］獲得了雙向等壓條件下的圓形巷道塑性區(qū)半徑統(tǒng)一解，并分析了矩形巷道、橢圓形巷道的周邊應(yīng)力解及分區(qū)裂化;文獻(xiàn)［12］基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出非均勻應(yīng)力場(chǎng)的巷道圍巖塑性區(qū)邊界線方程式，用于預(yù)測(cè)不同側(cè)壓系數(shù)時(shí)地下深埋隧洞的塑性區(qū)大小及形狀;文獻(xiàn)［13］根據(jù)巖石材料的變形特性，采用巖石應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€段力學(xué)模型，引入實(shí)際工程中對(duì)巷道圍巖具有一定影響的參數(shù)，分析了非均勻應(yīng)力場(chǎng)下圓形巷道圍巖彈塑性區(qū)域力學(xué)形態(tài)，推導(dǎo)出了非均勻應(yīng)力場(chǎng)下圓形巷道彈塑性的理論解;文獻(xiàn)［14－17］獲得了巷道周?chē)摹暗~塑性區(qū)”理論公式，認(rèn)為圍巖的偏應(yīng)力張量是產(chǎn)生不規(guī)則塑性區(qū)的根本原因，論述了巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)的基本幾何特征和關(guān)鍵影響因素，并闡述了圍巖非對(duì)稱大變形是由蝶葉塑性區(qū)引起的力學(xué)機(jī)制。本文對(duì)蝶葉塑性區(qū)在層狀巖體巷道頂板中的分布規(guī)律、層狀頂板巷道冒頂機(jī)理及其控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)于完善和發(fā)展巷道圍巖控制理論具有實(shí)際意義。

1　巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)形成機(jī)理與基本特性

理論與數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)［10，14－17］，當(dāng)巷道周邊應(yīng)力大于圍巖強(qiáng)度，且偏應(yīng)力分量較大時(shí)，圍巖被剪切破壞，形成蝶葉塑性區(qū)，文獻(xiàn)［13］基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則獲得了非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下均質(zhì)巖體圓形巷道圍巖塑性邊界Rθ關(guān)于θ的隱性方程，如式(1)所示。

式中，σθ，σr，τrθ分別為圍巖中任意點(diǎn)的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪應(yīng)力，MPa;s1，s3為最大、最小主偏應(yīng)力，MPa;r，θ為任一點(diǎn)的極坐標(biāo);C為圍巖內(nèi)聚力，MPa;φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°);Rθ為徑向塑性區(qū)深度，m;H為巷道埋深，m;a為巷道半徑，m;γ為圍巖體積力，kN/m3;λ為主應(yīng)力比值(σ1/σ3)。

圖1為式(1)獲得的均質(zhì)巖體圓形巷道圍巖塑性邊界，可以看出，均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下，巷道圍巖塑性區(qū)呈圓形分布，主應(yīng)力比值不大時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)開(kāi)始顯現(xiàn)蝶葉特征，而主應(yīng)力比值較大時(shí)，巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)蝶葉擴(kuò)展明顯。同時(shí)，這種蝶葉塑性區(qū)具有的方向性，圖2為巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)蝶葉方位與主應(yīng)力方向的關(guān)系，可以看出，當(dāng)最大主應(yīng)力方向水平(β=90°)時(shí)，塑性區(qū)蝶葉近似傾斜45°朝頂?shù)装鍞U(kuò)展，隨著最大主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)，蝶葉方向也隨之偏轉(zhuǎn)相等的角度，當(dāng)β=45°時(shí)，蝶葉塑性區(qū)位于頂板的正上方，這種情況對(duì)頂板穩(wěn)定性是極為不利的，然而，圍巖塑性區(qū)具有蝶葉特征的高偏應(yīng)力巷道所處應(yīng)力環(huán)境，主應(yīng)力方向一般不是水平或垂直的，其塑性區(qū)蝶葉方向會(huì)朝向頂板。

圖1　巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)理論計(jì)算結(jié)果Fig.1　Theoretical calculation results of the butterfly plastic zone of the roadway surrounding rock

圖2　巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)蝶葉方位與主應(yīng)力方向的關(guān)系Fig.2　Relationship between the orientation of the butterfly plastic zone and the direction of the principal stress of the roadway surrounding rock

2　蝶葉塑性區(qū)穿透特性

前文分析可知，在巷道應(yīng)力環(huán)境與斷面尺寸一定時(shí)，蝶葉在頂板中的擴(kuò)展主要取決于巷道頂板巖層組合與巖層力學(xué)性質(zhì)，均質(zhì)圍巖條件下，巷道頂板塑性區(qū)呈規(guī)則的蝶葉形態(tài)，然而，巷道巖體環(huán)境一般是非均質(zhì)的，具有分層特點(diǎn)，因此，研究蝶葉塑性區(qū)在層狀頂板中的擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)于進(jìn)一步完善非均勻應(yīng)力場(chǎng)巷道圍巖塑性區(qū)理論具有重要意義。

2.1蝶葉塑性區(qū)分布等效理論分析

非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下層狀巖體巷道圍巖塑性區(qū)邊界尚無(wú)法直接通過(guò)理論計(jì)算獲得，但是在不考慮塑性區(qū)圍巖膨脹變形致使的圍巖應(yīng)力再次分布的情況下，巷道開(kāi)挖后，圍巖周邊應(yīng)力狀態(tài)是一定的，因此，將各個(gè)分層的巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)其所處區(qū)域的應(yīng)力值，代入式(2)計(jì)算，即可判別各巖層是否發(fā)生塑性破壞，然后將各巖層塑性破壞判別結(jié)果進(jìn)行疊加，即可得到巷道圍巖塑性區(qū)的等效理論計(jì)算結(jié)果。為便于計(jì)算，基于式(2)，采用VB編程工具編寫(xiě)了非均勻應(yīng)力場(chǎng)層狀巖體巷道塑性區(qū)計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖3所示，計(jì)算時(shí)，輸入相應(yīng)的邊界載荷、各巖層力學(xué)參數(shù)、巷道尺寸，即獲得并顯示對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果。由于蝶葉偏轉(zhuǎn)至巷道頂板上方時(shí)，巷道頂板穩(wěn)定性最差，為便于集中分析，對(duì)蝶葉位于頂板正上方這一典型條件進(jìn)行系統(tǒng)研究，表1為計(jì)算時(shí)巷道頂板各分層所采用巖石力學(xué)參數(shù)。

式中，Rθ(i)為第i層巖層徑向塑性區(qū)深度，m;Ci為第i層巖層圍巖內(nèi)聚力，MPa;φi為第i層巖層內(nèi)摩擦角，(°)。

圖3　非均勻應(yīng)力場(chǎng)層狀巖體巷道塑性區(qū)計(jì)算系統(tǒng)界面Fig.3　Calculation system interface of layered rock roadway plastic area in non uniform stress field

表1　巷道頂板各分層巖石力學(xué)參數(shù)Table 1　Mechanical parameters of stratified rock in the roadway roof

當(dāng)頂板巖層為均質(zhì)軟弱泥巖體時(shí)，如圖4(a)所示，巷道頂板塑性區(qū)呈規(guī)則的蝶葉形態(tài)，蝶葉塑性區(qū)深度計(jì)算結(jié)果為5.0 m。為了便于分析，將這種軟弱巖體頂板條件下蝶葉塑性區(qū)分布最大范圍稱之為蝶葉影響區(qū)，即:在有可能產(chǎn)生蝶葉塑性破壞的頂板巖層中，其力學(xué)強(qiáng)度最低的巖層所對(duì)應(yīng)的蝶葉塑性區(qū)分布范圍為蝶葉影響區(qū)。

當(dāng)頂板上方1.0～2.0 m巖層為力學(xué)強(qiáng)度較高的粗砂巖、其他層位頂板巖石力學(xué)參數(shù)保持不變時(shí)，如圖4(b)所示，進(jìn)行等效理論分析時(shí)，頂板蝶葉塑性區(qū)在該堅(jiān)硬巖層位置處則會(huì)出現(xiàn)平齊截止，而其他層位頂板位置處的塑性區(qū)形態(tài)和尺寸幾乎不變，未發(fā)生塑性破壞巖層的存在不能阻斷蝶葉塑性區(qū)的擴(kuò)展，頂板蝶葉塑性區(qū)呈現(xiàn)出明顯的穿透特性;改變堅(jiān)硬巖層厚度與分布位置時(shí)，即:頂板上方1.0～2.5，4.0 m以上巖層為堅(jiān)硬巖層、其他層位頂板巖石力學(xué)參數(shù)保持不變，如圖4(c)所示，在堅(jiān)硬巖層位置處的蝶葉塑性區(qū)依然會(huì)出現(xiàn)平齊截止，其他層位頂板位置處的塑性區(qū)形態(tài)和尺寸幾乎不變。

圖4　巷道不同巖層組合頂板蝶葉塑性區(qū)理論計(jì)算結(jié)果Fig.4　Theoretical calculation results of the butterfly plastic zone under different strata combination of the roadway

同樣，頂板蝶葉塑性區(qū)的穿透特性在軟硬相間的頂板巖層組合條件下理論上也會(huì)存在，如圖4(d)所示，1.0～2.0，2.0～2.5，4.0 m以上為力學(xué)強(qiáng)度較高的粗砂巖，其他層位頂板為軟弱泥巖，可以明顯的看出，巷道頂板發(fā)生非連續(xù)塑性破壞，蝶葉塑性區(qū)在堅(jiān)硬巖層位置處發(fā)生隔斷，而軟弱巖層位置處的蝶葉塑性區(qū)形態(tài)和尺寸基本不變，同時(shí)，這種蝶葉塑性區(qū)的分布特性與軟弱巖層的厚度無(wú)關(guān)，只要頂板上方蝶葉塑性區(qū)影響區(qū)域內(nèi)存在軟弱巖層，勢(shì)必出現(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)的蝶葉塑性區(qū)分布，而蝶葉影響區(qū)較大的尺寸是蝶葉塑性區(qū)穿透的前提。

2.2蝶葉塑性區(qū)穿透特性數(shù)值模擬分析

非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下層狀巖體巷道圍巖塑性區(qū)可直接由數(shù)值模擬的方法獲得，為便于對(duì)比分析，采用表1與圖4所示的頂板巖層力學(xué)參數(shù)與巖層組合進(jìn)行模擬分析，由于計(jì)算所需巖層分層較多，且為圓形巷道，采用ANSYS軟件建模，然后導(dǎo)入FLAC3D模擬軟件，經(jīng)過(guò)載荷加載、各巖層力學(xué)參數(shù)賦值、開(kāi)挖巷道等過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，圖5為采用的數(shù)值計(jì)算模型。

圖6為巷道不同巖層組合頂板蝶葉塑性區(qū)理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出，非均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下不同巖層組合頂板蝶葉塑性區(qū)等效理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，巷道頂板蝶葉塑性區(qū)具有明顯的穿透特性，未發(fā)生塑性破壞巖層的存在不能阻斷蝶葉塑性區(qū)在軟弱巖層形成，蝶葉塑性區(qū)會(huì)穿透未發(fā)生塑性破壞巖層在強(qiáng)度較低的巖層重新分布，出現(xiàn)隔層擴(kuò)展的現(xiàn)象。

圖5　數(shù)值計(jì)算模型Fig.5　Numerical computational model

同時(shí)，等效理論計(jì)算與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果還表明，這種軟弱巖層位置處的蝶葉塑性區(qū)分布一般不受其下位巖層巖石力學(xué)參數(shù)的變化而改變，只取決于其上位巖層的力學(xué)參數(shù)，如圖7所示。

相對(duì)于圖7(a)與圖7(c)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際允許的范圍內(nèi)，圖7(b)與圖7(d)變換了1.0～2.0 m層位頂板的力學(xué)參數(shù)，使得蝶葉塑性區(qū)在該層位內(nèi)頂板有一定的擴(kuò)展，但并不影響原本2.5～4.0 m范圍內(nèi)軟弱巖層的塑性區(qū)分布，也就是說(shuō)，在工程實(shí)際中巖層強(qiáng)度范圍內(nèi)，蝶葉影響區(qū)軟弱巖層下位巖層的塑性分布情況對(duì)軟弱巖層塑性區(qū)分布影響很小。

綜合以上層狀巖體巷道頂板蝶葉塑性區(qū)分布理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，巷道頂板蝶葉塑性區(qū)影響區(qū)域內(nèi)，堅(jiān)硬巖層的存在會(huì)限制蝶葉塑性區(qū)的擴(kuò)展，甚至使塑性區(qū)出現(xiàn)徹底隔斷，但不能阻斷塑性區(qū)的形成，蝶葉塑性區(qū)會(huì)穿透未發(fā)生塑性破壞巖層在強(qiáng)度較低的巖層重新分布，蝶葉影響區(qū)較大的尺寸給蝶葉塑性區(qū)穿透創(chuàng)造了條件。同時(shí)，這種軟弱巖層位置處蝶葉塑性區(qū)分布形態(tài)幾乎不受其下位巖層的影響。

2.3蝶葉塑性區(qū)穿透特性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為獲取工程實(shí)際中巷道頂板蝶葉塑性區(qū)分布特性，在保德礦進(jìn)行了頂板塑性破壞范圍觀測(cè)。保德礦回采巷道為“三巷布置”，分別為1號(hào)回風(fēng)巷(瓦斯抽放巷)、2號(hào)回風(fēng)巷、主運(yùn)輸巷，1號(hào)煤柱12 m，2號(hào)煤柱25 m，其2號(hào)回風(fēng)巷頂板中心距離工作面45 m，受?動(dòng)應(yīng)力影響，該巷道區(qū)域?yàn)榉蔷鶆驊?yīng)力場(chǎng)，且周邊最大主應(yīng)力方向與水平方向有較大夾角，其圍巖塑性區(qū)必然呈現(xiàn)蝶葉分布，且蝶葉位于頂板上方?，F(xiàn)場(chǎng)工作面回采時(shí)，工作面后方300 m左右巷道圍巖變形劇烈，出現(xiàn)明顯的、由蝶葉塑性區(qū)所引起的非對(duì)稱變形。觀測(cè)采用多功能頂板攝錄儀對(duì)頂板內(nèi)部進(jìn)行窺視，觀測(cè)巷道頂板內(nèi)部的破壞及裂隙發(fā)育情況，進(jìn)而確定頂板的塑性壞情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，測(cè)站布置在81305二號(hào)回風(fēng)巷工作面后方300 m位置處，窺視深度8.0 m。

圖7　下位巖層塑性區(qū)分布對(duì)頂板軟弱巖層塑性區(qū)分布的影響Fig.7　Influence of plastic zone distribution in lower strata on the distribution of plastic zone of soft interlayer in the roof

圖8(a)為81305二號(hào)回風(fēng)巷頂板塑性破壞區(qū)觀測(cè)結(jié)果，可以看出，頂板上方由淺至深依次為煤、泥巖薄層(厚度僅為0.2 m)、砂質(zhì)泥巖和粗砂巖，其圍巖破裂區(qū)呈現(xiàn)明顯非連續(xù)性，主要分布在煤層內(nèi)部與煤層上部的泥巖層兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。其中，煤層內(nèi)部區(qū)域從巷道負(fù)幫一側(cè)頂板鉆孔至正幫一側(cè)頂板鉆孔破裂深度依次為:2 418，2 518，2 076，1 530，1 168 mm，頂板中部的破壞范圍較大，頂板靠近兩幫側(cè)破壞范圍較小，靠近正幫側(cè)頂板的破壞范圍小于負(fù)幫側(cè)，該區(qū)域內(nèi)破裂邊界具有蝶葉形態(tài)，且該破裂邊界上方至煤層上方圍巖完整性較好;而煤層上方的泥巖薄層，5個(gè)觀測(cè)鉆孔均顯示其全部破壞，砂質(zhì)泥巖層也發(fā)生了局部破壞，最大破壞深度發(fā)生在負(fù)幫側(cè)，距離煤層上邊界735 mm，圖9為81305二號(hào)回風(fēng)巷頂板破壞區(qū)域窺視圖片。因此可以推斷，由于煤層上方泥巖層相對(duì)于煤層，其巖石強(qiáng)度較低，頂板蝶葉塑性區(qū)穿透較為堅(jiān)硬煤層在泥巖薄層充分?jǐn)U展，且在泥質(zhì)砂巖層也有局部擴(kuò)展，圖8(b)為81305二號(hào)回風(fēng)巷頂板塑性破壞區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖8　81305二號(hào)回風(fēng)巷頂板塑性破壞區(qū)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8　Field measurement and numerical simulation results of plastic zone in the roof of 81305 No.2 tailgate

圖9　81305二號(hào)回風(fēng)巷頂板破壞區(qū)域窺視圖片F(xiàn)ig.9　Observation pictures of damaged zone in the roof of 81305 No.2 tailgate

3　層狀頂板巷道蝶葉塑性區(qū)冒頂機(jī)理

巷道層狀頂板的這種蝶葉塑性區(qū)穿透性將對(duì)巷道冒頂產(chǎn)生重要影響，圍巖塑性區(qū)形成實(shí)際上是圍巖的壓剪破壞，在塑性區(qū)形成過(guò)程中同時(shí)伴有巨大的膨脹壓力和強(qiáng)烈變形，如圖10所示，當(dāng)頂板含有軟弱巖層且蝶葉塑性區(qū)穿透下位未發(fā)生塑性破壞巖層在該軟弱巖層重新分布，軟弱巖層內(nèi)蝶葉塑性破壞產(chǎn)生遠(yuǎn)大于錨桿(索)支護(hù)力的變形壓力，下位未發(fā)生塑性破壞巖層受到持續(xù)、巨大的“擠壓”載荷，致使其發(fā)生斷裂破壞。同時(shí)，軟弱巖層蝶葉塑性區(qū)一般會(huì)產(chǎn)生較大的變形，當(dāng)下位未發(fā)生塑性破壞巖層厚度較小時(shí)，如圖10(a)所示，斷裂后的下位未發(fā)生塑性破壞巖層極易發(fā)生失穩(wěn)垮落，如果此時(shí)錨桿(索)不能承受蝶葉塑性區(qū)上邊界以內(nèi)圍巖自重時(shí)，巷道便發(fā)生冒頂，這種情況下最大冒頂高度為軟弱巖層內(nèi)蝶葉塑性區(qū)上邊界。當(dāng)下位未發(fā)生塑性破壞巖層厚度較大時(shí)，如圖10(b)所示，斷裂后的下位未發(fā)生塑性破壞巖層仍有可能保持自身穩(wěn)定，實(shí)際最大冒頂高度可能為未發(fā)生塑性破壞巖層下位蝶葉塑性區(qū)上邊界，潛在冒頂高度仍為軟弱巖層內(nèi)蝶葉塑性區(qū)上邊界。

圖10　層狀頂板巷道冒頂原理Fig.10　Schematic diagrams of roof fall in layered roof

由圖10還可以看出，當(dāng)頂板含有軟弱巖層且蝶葉塑性區(qū)在該位置形成，即便軟弱巖層下位巖層存在未發(fā)生塑性破壞的堅(jiān)硬巖層，由于該堅(jiān)硬巖層有可能發(fā)生斷裂破壞，頂板也會(huì)存在冒頂風(fēng)險(xiǎn)。由于圍巖塑性區(qū)形成過(guò)程中產(chǎn)生的變形壓力巨大，是下位巖層自身強(qiáng)度或者人為支護(hù)難以抵抗的，因此，巷道的隱患冒頂高度取決于蝶葉塑性區(qū)影響區(qū)域內(nèi)軟弱巖層的位置，與軟弱巖層下位巖層狀態(tài)幾乎無(wú)關(guān)，只與軟弱巖層本身及其上位巖層有關(guān)，如果未發(fā)生塑性破壞巖層上方軟弱巖層厚度較大，或者軟弱巖層上位巖層也發(fā)生局部塑性破壞，這樣，未發(fā)生塑性破壞巖層上方塑性區(qū)圍巖體積較大，產(chǎn)生變形量也隨之增加，將增大未發(fā)生塑性破壞巖層失穩(wěn)垮落風(fēng)險(xiǎn)，加劇巷道冒頂隱患。

4　層狀頂板巷道蝶葉塑性區(qū)冒頂控制方法

層狀頂板巷道冒頂實(shí)質(zhì)上是由于頂板圍巖塑性破壞引起的，塑性區(qū)范圍決定了圍巖的破壞程度，要保持巷道圍巖穩(wěn)定，必須控制巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，這就需要:①錨桿(索)長(zhǎng)度大于塑性區(qū)最大邊界，有效抑制塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展;②錨桿(索)需具備一定的延伸性能以適應(yīng)塑性區(qū)形成所引起的圍巖大變形;③淺部頂板錨桿支護(hù)應(yīng)有一定的支護(hù)密度，以防止淺部破碎頂板的小型冒頂與局部漏頂，圖11為基于層狀頂板巷道蝶葉塑性區(qū)冒頂機(jī)理的冒頂控制原理示意。

圖11　層狀頂板巷道冒頂控制原理示意Fig.11　Schematic diagrams of roof fall control in layered roof

5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)層狀頂板巷道冒頂控制方法，對(duì)保德礦81306二號(hào)回風(fēng)巷進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)。保德礦采動(dòng)影響期間，巷道礦壓顯現(xiàn)極為劇烈，出現(xiàn)變形量大、支護(hù)體破壞等現(xiàn)象，同時(shí)在該礦81306二號(hào)回風(fēng)巷出現(xiàn)過(guò)一次冒頂事故，究其原因，主要是劇烈的圍巖變形，致使常規(guī)錨索出現(xiàn)大量破斷或錨固失效，從而深部軟弱泥巖層內(nèi)蝶葉塑性區(qū)得不到有效控制，加劇了巷道冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)圖8所示的81305二號(hào)回風(fēng)巷頂板塑性破壞區(qū)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果，其最大破壞深度達(dá)到4 318 mm。因此，81306二號(hào)回風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)采用Φ20 mm×5 000 mm左旋螺紋鋼接長(zhǎng)錨桿，支護(hù)密度為0.8根/m2，接長(zhǎng)錨桿采用HRB335左旋螺紋鋼桿體，其延伸率可達(dá)15%以上，具備常規(guī)錨索不具有的延伸性能(常規(guī)錨索標(biāo)準(zhǔn)延伸率僅為3%左右)，以保證其長(zhǎng)度大于蝶葉塑性區(qū)最大邊界且具有較好的變形適應(yīng)性，原支護(hù)普通短錨桿密度為 0.8 根/m2，也保證了淺部頂板的支護(hù)密度。試驗(yàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖12所示，由于支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)主要是針對(duì)冒頂控制，巷道兩幫控制效果較好，支護(hù)未做補(bǔ)強(qiáng)，依然為該礦原支護(hù)方案(Φ15.24 mm×5 000 mm錨索+ Φ16 mm×1 800 mm短錨桿聯(lián)合支護(hù))。

圖12　試驗(yàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.12　Design drawings of test roadway support

經(jīng)過(guò)接長(zhǎng)錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，81306二號(hào)回風(fēng)巷頂板安全得到了較好的保證，圖13為該巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)后采動(dòng)影響期間頂板深部位移監(jiān)測(cè)曲線，可以看出，在工作面推進(jìn)5～10 d以后(此時(shí)測(cè)站位于工作面后方190 m左右)，頂板變形速率突然增大，在監(jiān)測(cè)25 d之后(此時(shí)測(cè)站位于工作面后方350 m左右)，頂板變形基本趨于平穩(wěn)，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間頂板總變形量則達(dá)到512 mm。從變形量的層位分布來(lái)看，0～3 m層位內(nèi)變形量占總變形量的64.5%，3～6 m層位內(nèi)變形量占總變形量的32.0%，由此也可推斷，0～3 m層位內(nèi)變形量主要來(lái)源于煤層內(nèi)部的蝶葉塑性破壞，而3～6 m層位內(nèi)變形量主要由穿透煤層并在泥巖層形成的蝶葉塑性區(qū)引起。

圖13　81306二號(hào)回風(fēng)巷支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)后巷道頂板深部位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.13　Monitoring curves of deep displacement of 81306 No.2 tailgate after reinforcing support

5結(jié)　　論

(1)巷道頂板蝶葉塑性區(qū)具有穿透性，未發(fā)生塑性破壞巖層的存在不能阻斷蝶葉塑性區(qū)在軟弱巖層形成，蝶葉塑性區(qū)會(huì)穿透未發(fā)生塑性破壞巖層在強(qiáng)度較低的巖層重新分布，出現(xiàn)隔層擴(kuò)展的現(xiàn)象。

(2)頂板蝶葉塑性區(qū)穿透分布伴有強(qiáng)烈變形壓力，使軟弱巖層塑性區(qū)下位未發(fā)生塑性破壞巖層受到持續(xù)巨大的“擠壓”載荷，致使其發(fā)生斷裂破壞，當(dāng)這種軟弱巖層區(qū)域蝶葉塑性區(qū)形成產(chǎn)生的變形達(dá)到一定程度后，其下位未發(fā)生塑性破壞巖層則徹底失穩(wěn)垮落，如果此時(shí)支護(hù)不再能承擔(dān)頂板破壞巖石的自重，巷道便發(fā)生冒頂。

(3)要防止巷道冒頂，必須控制巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，這就需要錨桿(索)長(zhǎng)度大于塑性區(qū)最大邊界，有效抑制塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展，同時(shí)錨桿(索)需具備一定的延伸性能以適應(yīng)塑性區(qū)形成所引起的圍巖大變形。

參考文獻(xiàn):

［1］康紅普，顏立新，郭相平，等．回采工作面多巷布置留巷圍巖變形特征與支護(hù)技術(shù)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(10): 2022－2036．Kang Hongpu，Yan Lixin，Guo Xiangping，et al．Characteristics of surrounding rock deformation and reinforcement technology of retained entry in working face with multi-entry layout［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(10):2022－2036．

［2］嚴(yán)紅．特厚煤層巷道頂板變形機(jī)理與控制技術(shù)［D］．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2013．Yan Hong．Mechanism of roof deformation and its control in roadways with extra thick coal seam［D］．Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing)，2013．

［3］Reza R Osgoui，Pierpaolo Oreste．Convergence-control approach for rock tunnels reinforced by grouted bolts using the homogenization concept［J］．Geotech．Geol．Eng．，2007，25:431－440．

［4］Zhang Hualei，Cao Jianjun，Tu Min．Floor stress evolution laws and its effect on stability of floor roadway［J］．International Journal of Mining Science and Technology，2013，23(5):631－636．

［5］嚴(yán)紅，何富連，王思貴．特大斷面巷道軟弱厚煤層頂板控制對(duì)策及安全評(píng)價(jià)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(5):1014－1023．Yan Hong，He Fulian，Wang Sigui．Safety control and evaluation of roadway with supper-large cross-section and soft-weak thick coal roof ［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(5):1014－1023．

［6］岳中文，楊仁樹(shù)，閆振東，等．復(fù)合頂板大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(S1):47－52．Yue Zhongwen，Yang Renshu，Yan Zhendong，et al．Experimental study on stability of surrounding rock of coal roadway with compound roof and large cross section［J］．Journal of China Coal Society，2011，36(S1):47－52．

［7］Zhang C Q，Zhou H，F(xiàn)eng X T．An index for estimating the stability of brittle surrounding rock mass:Fai and its engineering application ［J］．Rock Mech．Rock Eng．，2011，44:401－414．

［8］賈蓬，唐春安，王述紅．巷道層狀巖層頂板破壞機(jī)理［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(1):11－15．Jia Peng，Tang Chun’an，Wang Shuhong．Destroy mechanism of tunnel with stratified roof［J］．Journal of China Coal Society，2006，31(1):11－15．

［9］景鋒，盛謙，張勇慧，等．我國(guó)原位地應(yīng)力測(cè)量與地應(yīng)力場(chǎng)分析研究進(jìn)展［J］．巖土力學(xué)，2011，32(S2):51－58．Jing Feng，Sheng Qian，Zhang Yonghui，et al．Study advance on insite geostress measurement and analysis of initial geostress field in China［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32(S2):51－58．

［10］侯朝炯．巷道圍巖控制［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2013．Hou Chaojiong．Ground control of roadways［M］．Xuzhou:China University of Mining Science and Technology Press，2013．

［11］李明，茅獻(xiàn)彪．基于復(fù)變函數(shù)的矩形巷道圍巖應(yīng)力與變形粘彈性分析［J］．力學(xué)季刊，2011，32(2):196－202．Li Ming，Mao Xianbiao．Based on the complex variable functions of rectangular roadway surrounding rock stress and deformation viscoelastic analysis［J］．Chinese Quarterly of Mechanics，2011，32(2): 196－202．

［12］陳立偉，彭建兵，范文，等．基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的非均勻應(yīng)力場(chǎng)圓形巷道圍巖塑性區(qū)分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(1):20－23．Chen Liwei，Peng Jianbing，F(xiàn)an Wen，et al．Analysis of surrounding rock mass plastic zone of round tunnel under non-uniform stress field based on the unified strength theory［J］．Journal of China Coal Society，2007，32(1):20－23．

［13］潘陽(yáng)，趙光明，孟祥瑞．非均勻應(yīng)力場(chǎng)下巷道圍巖彈塑性分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(S1):53－57．Pan Yang，Zhao Guangming，Meng Xiangrui．Elasto-plastic analysis on surrounding rock mass under non-uniform stress field［J］．Journal of China Coal Society，2011，36(S1):53－57．

［14］馬念杰，李季，趙志強(qiáng)．圓形巷道圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布規(guī)律研究［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，44(2):206－213．Ma Nianjie，Li Ji，Zhao Zhiqiang．Distribution of the deviatoric stress field and plastic zone in circular roadway surrounding rock ［J］．Journal of China University of Mining＆Technology，2015，44(2):206－213．

［15］趙志強(qiáng)．大變形回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理與控制方法研究［D］．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2014．Zhao Zhiqiang．Mechanism of surrounding rock deformation and failure and control method research in large deformation mining roadway［D］．Beijing:China University of Mining Science and Technology(Beijing)，2014．

［16］馬念杰，李季，趙希棟，等．深部煤與瓦斯共采中的優(yōu)質(zhì)瓦斯通道及其構(gòu)建方法［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(4):742－748．Ma Nianjie，Li Ji，Zhao Xidong，et al．High quality gas channel and its construction method applied to coal and gas simultaneous extraction in deep mining［J］．Journal of China Coal Society，2015，40(4):742－748．

［17］Zhao Zhiqiang，Jia Hongsheng，Peng Bo．Tunnel surrounding rock deformation characteristics and control in deep coal mining ［J］．Geomwaterials，2013，30(1):24－28．

中圖分類號(hào):TD353

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253－9993(2016)06－1384－09

收稿日期:2015－09－17修回日期:2016－01－18責(zé)任編輯:許書(shū)閣

基金項(xiàng)目:河南省教育廳高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目資助(16A440006);河南理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目資助(660207/007)

作者簡(jiǎn)介:賈后省(1988—)，男，山東濟(jì)寧人，講師，博士。E－mail:jiahousheng@126．com

Mechanism and control method of roof fall resulted from butterfly plastic zone penetration

JIA Hou-sheng1，2，MA Nian-jie3，ZHU Qian-kun1，2
(1．School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454003，China;2．Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety，Jiaozuo454000，China;3．Faculty of Resource and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing100083，China)

Abstract:In this study，the problems of frequent roof fall accidents and support difficulties in the layered roof of roadway were investigated using theoretic analysis，numerical simulation，field detection and field engineering test，the distribution of the butterfly plastic zone of layered roof roadway was revealed，and the mechanical mechanism of roof fall due to butterfly plastic zone penetration was elucidated．The research shows that the butterfly plastic zone has the characteristic of penetrating across strata，and no plastic failure rock cannot block the formation of butterfly plastic zone in soft strata;The distribution of penetration of butterfly plastic zone in the roof is accompanied with strong deformation pressure，the lower no plastic failure rock under soft strata plastic zone is subjected to a continuous huge squeeze load which makes the no plastic failure rock fractured and failed，this is the intrinsic reason of roadway roof fall hazards．The key to prevent roof fall of the roadway is to keep the stability of plastic zone of surrounding rock，the length of rock bolts(or cables)should be longer than the plastic zone，and the rock bolts(or cables)should have the ability to withstand a large deformation without breaking．Based on the research，strengthening support and field test were con-ducted in the 81306－2 tailgate of Baode Colliery in Shendong，the field test shows that the support method proposed can maintain the stability of roadway roof effectively．

Key words:layered roof;plastic zone;roadway roof fall;surrounding rock control