復合頂板巷道冒頂機理分析與控制技術(shù)研究

王陳真

(山西潞安集團 蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200)

1 工程概況

潞安集團某礦701工作面運輸巷為半煤巖巷道，沿著煤層走向按照3‰上坡掘進，巷道斷面形狀為斜矩形，巷道寬度為3.8 m，上幫高度為3.55 m，下幫高度為2.45 m，巷道長度約為315 m，埋深約為600 m，701工作面所采煤層平均厚度為1.4 m，煤層傾角為9°～28°.由于701工作面運輸巷所在煤層埋深較深，故該巷道原巖應力較高，在巷道掘進過程中出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象；同時由于巷道為半煤巖巷，圍巖巖性較差致使巷道變形量大，維護較困難；巷道頂板破碎，在巷道掘進和701工作面回采期間可能發(fā)生頂板冒頂事故，煤層頂?shù)装鍘r層見表1.

表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)表

2 復合頂板冒頂機理分析

在巖(煤)體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖原有的應力平衡狀態(tài)會遭到破壞，并會在局部區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，致使巷道復合頂板發(fā)生失穩(wěn)、離層、垮落等。相關(guān)研究表明，頂板的破壞形式主要有4種：剪切破壞、離層與撓曲破壞、拉伸破壞和擠壓流動性破壞[1]. 復合頂板巷道的上覆巖層是以層狀賦存的，且在頂板中會存在軟弱夾層，層理裂隙也相對較為發(fā)育；巷道開挖后，在原巖應力和采動影響下，上覆巖層會發(fā)生不同程度的撓曲變形，出現(xiàn)離層現(xiàn)象，離層現(xiàn)象出現(xiàn)后可能會出現(xiàn)斷裂冒落或頂板中部拉伸破斷。故通過上述分析能夠得出，復合頂板破斷方式一般先出現(xiàn)離層現(xiàn)象，在圍巖壓力的持續(xù)作用下可能會出現(xiàn)拉伸或剪切破壞，下面對拉伸斷裂和剪切斷裂進行具體分析：

1) 拉伸斷裂分析。復合頂板出現(xiàn)離層與撓曲變形后會進一步降低頂板的抗彎剛度。當頂板巖層承受的圍巖拉應力大于其自身的抗拉強度時，巖層便會失穩(wěn)破壞進而破斷直至冒落，復合頂板第一巖層的拉伸斷裂力學模型見圖1.

圖1 復合頂板第一巖層拉伸斷裂力學模型圖

復合頂板巖層發(fā)生拉伸破斷的條件為巖層受到的最大拉應力σmax大于相應狀態(tài)下巖層所能承受的極限抗拉強度[σt]. 考慮到復合頂板的拉伸斷裂冒落是從巷道表面逐漸向上覆巖層產(chǎn)生的，根據(jù)材料力學知識可知，在A巖梁的兩端處受到的彎矩最大，其表達式為：

(1)

式中：

Mmax—巖梁所能承受的最大彎矩，Nm；

(qn)1—考慮到第n層巖層對第一巖層所造成的影響時所形成的載荷，kN；

l1—巖梁的長度，m.

根據(jù)式(1)能夠得出巖梁所受到的最大拉應力表達式為：

(2)

式中：

γi(i=1,2,3,…n)—各巖層的體積力，kN/m3；

Ei(i=1,2,3,…n)—各巖層的彈性模量；

hi(i=1,2,3,…n)—各巖層的高度，m，式中的其余符號同上。

根據(jù)頂板巖梁的破斷準則，將式(1)、(2)聯(lián)立，并令i=l1/h1，則能夠得出巖層所能承受的最大拉應力σmax以及頂板巖層發(fā)生拉伸冒落時的極限懸露長度lσ表達式：

(3)

式中：

σmax—巖層所能承受的最大拉應力，MPa；

lσ—巖層發(fā)生拉伸冒落時的極限懸露長度，m；

[σt]—巖層所能承受的極限抗拉強度，MPa，式中其他符號的含義同上。

由式(3)能夠得出復合頂板的垮落與巖層的懸露長度l1、巖層的極限抗拉強度[σt]以及巖層的厚度h1有關(guān)，且?guī)r梁承受的最大拉應力σmax隨著i的增大逐漸增大。當復合頂板巖層較薄時，巖層間易出現(xiàn)離層，導致頂板巖層發(fā)生彎曲破壞造成巖層破斷失穩(wěn)。

2) 剪切斷裂分析。在復合頂板彎曲變形不大時，頂板兩側(cè)會產(chǎn)生開裂，若此時頂板中部未出現(xiàn)或很少出現(xiàn)開裂，則當巖梁受到的剪應力大于其抗剪強度時復合頂板易在巖梁的兩端出現(xiàn)剪切破壞[2]. 復合頂板第一巖層的破斷力學模型，見圖2.

圖2 復合頂板第一巖層剪切破斷力學模型圖

復合頂板巖層發(fā)生剪切破斷的條件為巖層受到的最大拉應力τmax大于相應狀態(tài)下巖層所能承受的極限抗剪強度[τ]. 復合頂板在斷裂冒落時是由下往上逐層破斷，先對A巖層受剪切破斷冒落的力學條件進行分析，根據(jù)材料力學知識可知，A巖梁端抗剪斷面最大剪應力τmax的表達式為：

(4)

式中：

τmax—巖梁端抗剪斷面上最大剪應力，MPa；

b—巖梁的寬度，m，一般取為1，其余符號含義同上。

在一般情況下b=1，根據(jù)式(4)及巖層發(fā)生剪切破斷的條件能夠得出梁最大剪應力及巖層拉伸冒落時的極限懸露長度lτ的表達式為：

(5)

式中：

lτ—巖層因剪切斷裂冒落時的極限懸露長度，m；

[τ]—巖層所能承受的極限剪應力，MPa，其余符號的含義同上。

701工作面運輸巷在掘進過程中一個月內(nèi)發(fā)生兩次巷道冒頂事故，第一次冒頂在距工作面迎頭46 m處，冒頂長度為3 m、寬度為3.9 m、高度為3.4 m；第二次冒頂在距工作面迎頭30 m位置處，冒頂長度為5 m、寬度4.1 m、高度4.1 m. 兩次冒頂頂板下沉量均不明顯。

根據(jù)該礦井地質(zhì)資料可知，直接頂頁巖的抗拉強度[σt]為0.56 MPa，容重γ為2 510 kg/m3，堅固性系數(shù)f為1，抗剪強度[τ]為1.26 MPa，根據(jù)普式理論h=b/f，b為巷道寬度，為3.8/2=1.9 m,計算得出冒落拱h=1.9 m，巷道上覆巖層荷載為q=γh=0.048 MPa，將上述數(shù)據(jù)分別帶入式(3)拉伸破斷極限懸露長度lσ及式(5)剪切破斷極限懸露長度lτ有：

(6)

由于巷道寬度為3.8 m，lσ=2.9 m<3.8 m

3 復合頂板巷道冒頂控制方案

3.1 支護方案設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，為防止巷道冒頂?shù)某霈F(xiàn)應首先控制頂板離層，從而實現(xiàn)控制復合頂板變形、冒落；根據(jù)錨桿支護技術(shù)可知，錨桿、錨索支護能夠有效地增大圍巖的抗拉強度、抗剪強度及有效防止圍巖剪切滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)，錨梁能夠使得圍巖提升自身強度，針對701工作面運輸順槽冒頂情況，并結(jié)合巷道的地質(zhì)力學評估，提出對701工作面運輸巷采用錨梁網(wǎng)+桁架錨索梁的支護方案。頂板單體錨索規(guī)格為d15.24 mm×L9 000 mm，間距為1 600 mm，桁架錨索規(guī)格為d15.24 mm×L6 700 mm，間排距為2 800 mm×1 600 mm，頂板錨桿規(guī)格為d20 mm×L2 400 mm，間排距為710 mm×800 mm；巷道高幫桁架錨索規(guī)格為d15.24 mm×L6 700 mm，間排距為2 000 mm×1 600 mm，錨桿規(guī)格d20 mm×L2 200 mm，間排距為780 mm×800 mm，低幫無錨索，錨桿規(guī)格同高幫，間排距為700 mm×800 mm. 巷道支護斷面圖見圖3. 在巷道進行支護施工過程中應注意頂板鋼帶長為3 700 mm，高幫鋼帶長為2 200 mm，桁架錨索梁系統(tǒng)是由槽鋼梁、兩根錨索和桁架連接器、鎖具進行連接組成。

圖3 701工作面運輸順槽支護斷面圖

3.2 工業(yè)性效果

為了檢驗巷道的支護效果，分析巷道頂板的穩(wěn)定性，對701運輸順槽試驗段(100 m)，每隔25 m安裝1個監(jiān)測站，同時在頂板中部安放DLY-3離層指示儀用以觀測頂板離層情況，同時安設(shè)多點位移計用以觀測巷道頂板圍巖的位移變化，在巷道表面安設(shè)KDC-10測槍用以觀測巷道表面位移。巷道頂板圍巖變形監(jiān)測布置見圖4.

圖4 701工作面運輸巷頂板監(jiān)測布置圖

701工作面運輸巷試驗段在采用錨梁網(wǎng)+桁架錨索梁的支護方案后，并在巷道表面噴射混凝土，對試驗段巷道圍巖上布置的觀測站進行170 d的持續(xù)觀測后，將觀測數(shù)據(jù)繪制成曲線，見圖5. 從圖5中曲線的斜率能夠看出，巷道在掘進過程中頂?shù)装遄冃嗡俣认鄬^大，當對巷道施加錨索并噴射混凝土后巷道產(chǎn)生的變形基本穩(wěn)定，50 d后巷道的變形量基本不再增加，巷道在觀測期間的最大變形量小于200 mm，這說明采用錨梁網(wǎng)+桁架錨索梁的支護方案能夠有效地控制圍巖變形。

圖5 701工作面運輸巷圍巖變形量曲線圖

4 結(jié) 論

1) 通過對頂板破壞類型的分析并結(jié)合復合頂板所有的結(jié)構(gòu)特征得出，復合頂板巷道在開挖后的破斷形式主要為離層撓曲后剪切破壞和離層撓曲后拉伸破壞。

2) 針對復合頂板拉伸破壞和剪切破壞分別建立力學模型進行分析，分別得出發(fā)生兩種破壞模式時巖層的極限懸露長度和最大拉應力或剪應力表達式。

3) 根據(jù)701工作面地質(zhì)資料并結(jié)合運輸巷道冒頂情況分析得出巷道冒頂模式為拉伸斷裂冒落，并提出錨梁網(wǎng)+桁架錨索梁的支護方案，在巷道試驗段通過測站監(jiān)測得出，該支護方案能夠防止頂板冒頂，有效地控制巷道圍巖變形。