多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性及支護(hù)設(shè)計分析

方珍珠

摘 要：只有在多層軟弱夾層的條件下對巷道內(nèi)部的復(fù)合頂板力學(xué)模型進(jìn)行有效地分析，并有效地分析內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征和離層破壞的機(jī)理。才能夠以其他類型的基本原理為基礎(chǔ)提出以巷道頂板錨固支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)的計算方法。從研究的結(jié)果來看，多個軟弱夾層內(nèi)部的復(fù)合頂板都會在實(shí)際操作的過程中出現(xiàn)頂板離層的現(xiàn)象，從而使得頂板的剛度有所下降，最終也就會出現(xiàn)頂板破裂和冒落的現(xiàn)象。又因?yàn)轫敯甯鲗又g的彎曲撓度之間存在差異，所以，通過錨桿就會形成一種頂板的組合，從而使得組合形成一定的強(qiáng)度。因?yàn)槿绻麤]有頂板強(qiáng)度的支撐，則很容易因此發(fā)生離層的現(xiàn)象，從而使得巖梁的兩端出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。本文結(jié)合多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性對其支護(hù)設(shè)計進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：多軟弱夾層；巷道頂板；穩(wěn)定特性；支護(hù)設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.059

0 引言

雖然我國煤炭資源的儲備量非常豐富，但是，在煤炭資源開采的過程中會出現(xiàn)諸多困難和挑戰(zhàn)。與煤炭資源相關(guān)的存賦條件會使得煤炭開采的過程中出現(xiàn)頂板坍塌的事故。我國在2007年-2014年的幾年時間內(nèi)就出現(xiàn)多起因?yàn)轫敯鍐栴}而引發(fā)的事故，占據(jù)總事故的60%，造成了約30.28%。為了能夠有效地預(yù)防多軟弱夾層巷道頂板安全事故的發(fā)生，有效地研究頂板的特性，并在之后對其支護(hù)設(shè)計進(jìn)行分析顯得尤為必要。

1 含數(shù)層軟弱夾層的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的破壞特征

多數(shù)層數(shù)的堅硬的復(fù)合頂板在頂板區(qū)域的內(nèi)部有多個軟弱的夾層。間隔的夾層存在于頂板之間各個堅硬的巖層中間。巷道一旦被開挖之后，巷道頂板巖層附近會形成兩端固定支梁的結(jié)構(gòu)。在荷載力的作用下，頂板會因此發(fā)生彎曲。又因?yàn)楦鱾€巖層內(nèi)部的力學(xué)性質(zhì)會不同，各個巖層的彎曲和下沉的量也會不同，從而使得巖層容易在之后出現(xiàn)離層的現(xiàn)象[1]。軟弱的夾層位于堅硬的巖層之間，之后會發(fā)生被塑性破壞的現(xiàn)象，從而使得堅硬巖層之間的離層之間的距離進(jìn)一步加大，各個巖層之間也就容易形成單獨(dú)的結(jié)構(gòu)，從而使得巖層的抗彎截面系數(shù)進(jìn)一步減小巖梁截面的彎曲正應(yīng)力也會因此增大。巖層的兩端也會因此產(chǎn)生破壞而最終形成一個簡易的巖梁。

簡支的巖梁在自身載荷作用下，會使得內(nèi)部的彎矩變得最大。如果一旦內(nèi)部的彎曲正應(yīng)力大于巖梁的抗壓強(qiáng)度，那么則很有可能因?yàn)楸黄茐亩纬扇q拱式的結(jié)構(gòu)，最終又會出現(xiàn)失穩(wěn)垮落的現(xiàn)象。

2 頂板離層的條件

（1）頂板離層的載荷條件。頂板是堅硬的巖層和軟弱的夾層中間存在的交替性的復(fù)合形式。在實(shí)際分析的過程中，可以通過引用關(guān)鍵層的理論來對頂板內(nèi)部本身的離層條件進(jìn)行分析，其主要計算的公式如下：

（qn）1=E1H13（p1gh1+p2gh2+…+pnghn）/E1h13+E2h23+…Enhn3） （1）

式子中的（qn）1本身也直接考慮到了n層巖層對第1層的影響，并在之后形成有效的載荷。其中，hi、p1、Ei分別代表各個巖層的厚度、密度和彈性模量。

在計算的過程中，需要依次將頂板內(nèi)部各個巖層的參數(shù)有效地代入，之后再按照從下往上的方式依次進(jìn)行計算。如果計算的結(jié)果中出現(xiàn)了（qn）1>（qn+1）1的情況，則第n層和第n+1層就會因此出現(xiàn)離層。在計算的過程中，一定要按照順序來進(jìn)行有效地計算，一直到堅硬而穩(wěn)固的巖層。在有關(guān)背景下，上述式子也會出現(xiàn)不成立的現(xiàn)象。

（2）頂板里層的撓度條件。以上述的各個關(guān)鍵層為基礎(chǔ)來有效地計算兩端固定支梁與關(guān)鍵層有關(guān)的撓度。其主要的計算公式如下“

Ymax，i=qiB4/32Eihi3 （2）

算式中的ymax，i表示第i個關(guān)鍵層內(nèi)部的最大撓度。qi則表示第i個關(guān)鍵層內(nèi)部所受到的荷載。從第一個算式中可以求得如下的結(jié)果：Ei和hi本身表示同樣的意思。B本身是巷道兩幫失去穩(wěn)定性之后巷道內(nèi)部的寬度，本身也屬于最不穩(wěn)定的巷道寬度。B=a+2b。對b采用如下的取值方式：如果兩幫沒有發(fā)生破壞，b=0。如果兩幫在使用的過程中發(fā)生破壞，則b=H×cotθ。其中的θ=π/4+φ/2。其中，φ表示巖石內(nèi)部出現(xiàn)的摩擦角。

3 支護(hù)相關(guān)形式和參數(shù)

（1）錨桿的長度。一般設(shè)定錨桿的長度為Lg，主要的計算方式如下：

Lg=Lgl+Lg2+Lg3

從式子中可以看出，錨桿外露的長度為Lgl=0.1-0.16m，Lg2為錨桿的長度。對于含數(shù)層軟弱夾層的復(fù)合頂板而言，可以定位巷道頂板表面到錨固體上一層巖層下表面之間的距離，并將Lg3作為錨桿錨固本身的長度，并在之后配合拔拉試驗(yàn)來有效地進(jìn)行。

（2）錨索的作用形式。如果錨固體本身的強(qiáng)度較低，那么可以設(shè)錨索對錨固體單位面積的作用力為Ps。

當(dāng)錨固體本身的結(jié)構(gòu)就已經(jīng)比較穩(wěn)定時，那么就尤其需要采用錨索支護(hù)來提高巷道頂板的穩(wěn)定性。必要時需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)來模擬取值。

（3）錨索的長度Ls。錨索長度：

Ls=Ls1+Ls2+Ls3

算式中的Ls1一般被設(shè)定為0.2m，式子中的Ls2為錨固體的厚度，式子中的Ls3主要可以由拉拔的試驗(yàn)確定，注意讓其厚度不小于0.5m。

4 實(shí)際案例運(yùn)用

某山西煤礦工程9#-10#煤層之間的平均厚度為1.93m，內(nèi)部含有0-2層夾矸。其頂板被設(shè)定為典型的含有數(shù)層軟弱夾層的堅硬的復(fù)合頂板。

整個煤層的9#+10#的南回風(fēng)大巷內(nèi)部存在著矩形斷面，并將斷面的尺寸設(shè)定為4200mm×2500mm，并在之后采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合的方式進(jìn)行支護(hù)。頂板巖層中3層的石灰?guī)r主要被設(shè)定為關(guān)鍵分層。從上往下的載荷分別為19.82kPa、33.86kPa和62.6kPa。經(jīng)過計算可以知道，各個關(guān)鍵層最大的撓度分別被設(shè)定為137.43mm、88.53mm和40.00mm[2]。由于整個撓度是呈現(xiàn)從下往上依次減小的趨勢，這進(jìn)一步說明各個關(guān)鍵層之間發(fā)生了離層的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際的案例主要就多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性進(jìn)行全面地分析，并全面地對有關(guān)支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行全面的分析。只有設(shè)定好支護(hù)的參數(shù)和支護(hù)的形式，才能夠讓錨桿支護(hù)的過程更加順利地進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳中文，楊仁樹，閆振東等.復(fù)合頂板大斷面煤巷穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報，2015（04）：139-143.

[2]張鎮(zhèn)，康紅普，王金華.煤巷錨桿—錨索支護(hù)的預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)作用分析[J].煤炭學(xué)報，2016（04）：46-53.