煤巷復(fù)合頂板巖層失穩(wěn)判別方法與冒頂隱患分級

馮吉成，許海濤，鄭 赟，彭 瑞，馬海燕

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

巷道頂板災(zāi)害是我國礦業(yè)各類災(zāi)害中發(fā)生頻率最高和死亡人數(shù)最多的災(zāi)害，頂板支護(hù)安全是控制煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)。長期以來，為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)巷道冒頂高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，國內(nèi)外學(xué)者在巷道圍巖冒頂機(jī)理和穩(wěn)定性分類研究方面做了大量工作，取得了豐富的研究成果。陳炎光、陸士良[1]將巷道冒頂影響因素歸為四大類：自然地質(zhì)因素、工程質(zhì)量因素、采掘工程影響、礦井工程技術(shù)人員未嚴(yán)格執(zhí)行頂板安全規(guī)程；勾攀峰、侯朝炯[2]在巷道圍巖應(yīng)力分布基礎(chǔ)上，指出錨桿支護(hù)巷道冒頂?shù)念愋涂煞譃閮深悾阂活愂茄叵锏纼蓭蜕戏巾敯邋^固體發(fā)生剪切破壞而滑落，一類是巷道頂板上方錨固體被壓縮破壞而冒落。黃旭、馬念杰等[3]認(rèn)為巷道層狀頂板冒頂主要與頂板巖層性質(zhì)、賦存狀態(tài)等因素有關(guān)，但其中軟巖厚度的變化是頂板冒頂主要因素；賈蓬，唐春安等[4]認(rèn)為巖梁的厚跨比對層狀巷道冒頂有重要影響；黃達(dá)，康天合[5]認(rèn)為層狀頂板巖體破壞冒頂是主要是由側(cè)壓系數(shù)λ決定。賈明魁[6]將冒頂原因分四大類、十二個(gè)亞類，認(rèn)為層狀圍巖體巷道頂板巖層的組合劣化是導(dǎo)致冒頂?shù)淖畲笤?。楊建輝[7]揭示層狀頂板巖體在垂直應(yīng)力作用下，巖層內(nèi)節(jié)理、裂隙使層狀轉(zhuǎn)化為鉸接拱，承載結(jié)構(gòu)破壞，水平應(yīng)力作用下，拱鉸接破碎壓壞，煤巷層狀結(jié)構(gòu)頂板在垂直和水平應(yīng)力下最終會(huì)形成組合鉸接拱結(jié)構(gòu)。

對于圍巖穩(wěn)定性分類的研究，大多是從一個(gè)礦井或一個(gè)煤層的宏觀角度來研究圍巖的穩(wěn)定性[8-18]，大部分巷道均采用相同或者過剩支護(hù)設(shè)計(jì)來控制巷道冒頂，不僅增加了支護(hù)成本，而且冒頂事故還時(shí)有發(fā)生。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)巷道冒頂高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，將同一巷道頂板穩(wěn)定性劃分為不同級別，劉洪濤，馬念杰[19]將巷道頂板分類與支護(hù)體參量建立聯(lián)系，構(gòu)建了巷道頂板巖層穩(wěn)定性力學(xué)模型，分析了影響巷道頂板冒頂主要因素，根據(jù)不同級別采取科學(xué)合理、有針對性的支護(hù)。

因此，本文針對同一巷道不同區(qū)域?qū)訝铐敯蹇迓鋯栴}，建立煤巷復(fù)合頂板巖層過梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，獲取巷道頂板巖梁破斷失穩(wěn)形態(tài)和極限條件，提出巷道復(fù)合頂板巖層失穩(wěn)判別方法，建立巷道復(fù)合頂板冒頂隱患級別劃分指標(biāo)體系，開發(fā)巷道層狀頂板穩(wěn)定性判別軟件，通過石圪臺礦現(xiàn)場調(diào)研、頂板窺視、錨桿(索)測力、松動(dòng)圈測試和物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)等手段獲取參數(shù)，掌握石圪臺礦2-2煤頂板冒頂隱患級別區(qū)劃特征，給出基于巷道冒頂隱患分級的回采巷道頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)差異化支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 煤巷復(fù)合頂板巖層失穩(wěn)破斷過程與穩(wěn)定性分析

1.1 煤巷復(fù)合頂板巖層破斷過程力學(xué)分析

在一般情況下，剪切應(yīng)力對應(yīng)的極限跨距遠(yuǎn)大于梁彎曲所產(chǎn)生的極限跨距，因此在進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，按巖梁極限跨距和承載能力的大小判斷巖層是否失穩(wěn)。

1.1.1 固支梁

巷道開挖后，在短時(shí)間內(nèi)巷道圍巖破壞較小，巷道頂板巖梁力學(xué)模型在初始時(shí)實(shí)際應(yīng)按固支梁計(jì)算，如圖1所示。

圖1 頂板巖梁固支力學(xué)模型

按照模型計(jì)算巖層極限跨距時(shí)，首先從巷道頂板第一層巖層開始分析，如果該層巖梁的極限跨距小于巷道的實(shí)際跨度，則第一層為非穩(wěn)定巖層，巖層失穩(wěn)垮落。如果該層巖梁的極限跨距大于巷道的實(shí)際跨度，則依據(jù)圖1力學(xué)模型計(jì)算，計(jì)算直至找到穩(wěn)定巖層為止。

按照固支梁進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)巖層的抗拉強(qiáng)度極限最小強(qiáng)度σtx小于最大拉應(yīng)力σmax時(shí)，巖層破斷，巖層發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)固支梁發(fā)生斷裂，該巖層極限最小強(qiáng)度跨距為：

式中，hx為第x層巖層厚度；Lx為第x層巖層跨度；σtx為第x層巖層的單向抗拉強(qiáng)度。

從式(1)中可知，第x層巖層極限最小強(qiáng)度跨距Lx與該層巖層厚度hx、單向抗拉強(qiáng)度σtx和實(shí)際作用載荷qx等因素有關(guān)，其中極限最小強(qiáng)度跨距Lx與巖層厚度hx和單向抗拉強(qiáng)度σtx成正比，與實(shí)際作用載荷qx成反比。說明當(dāng)其他條件不變情況下，巖層厚度和抗拉強(qiáng)度越大，極限最小強(qiáng)度跨距越大，該層越穩(wěn)定，若作用載荷qx越大，巖層承載作用載荷越大，極限最小強(qiáng)度跨距越小，越容易失穩(wěn)。

在極限跨距影響因素研究方面，文獻(xiàn)[19]研究得出的埋深影響系數(shù)fm、地應(yīng)力異常影響系數(shù)fd、巖體完整系數(shù)fw等因素都會(huì)對巖層極限跨距起到削弱作用，在計(jì)算巖層極限最小強(qiáng)度跨距時(shí)也將以下因素進(jìn)行考慮分析，并將其引入到巖層極限跨距計(jì)算公式中：

1.1.2 過梁結(jié)構(gòu)

如果該巖層的極限跨距要大于巷道的實(shí)際跨度，形成過梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)插入段相對巷道寬度L比較大時(shí)，趨近于固支梁，該巖層穩(wěn)定；當(dāng)插入段不是很長時(shí)，形成的過梁結(jié)構(gòu)介于固支梁和簡支梁之間，建立頂板巖層過梁結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，彎矩如圖3所示。

圖2 巷道復(fù)合頂板巖層過梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

圖3 彎矩圖

巖梁最大正彎矩和負(fù)彎矩分別為：

根據(jù)梁上任意一點(diǎn)正應(yīng)力有：

因此，得到：

圖4 塊體鉸接平衡結(jié)構(gòu)

1)當(dāng)咬合點(diǎn)的處摩擦力小于剪切力時(shí)形成滑落失穩(wěn)。巖塊滑落失穩(wěn)的判定條件：

式中，φ為巖塊間的摩擦角，一般情況下，φ=38°～45°，tanφ=0.8～1；[L]為巖層極限跨距；hx為巖層厚度。

由于極限跨距[L]相對于巷道跨度L不是很大，從式(5)中可知，鉸接巖塊滑落失穩(wěn)的穩(wěn)定條件與該層巖塊厚度hx、巖層極限跨距[L]或巷道跨度L、巖塊間的摩擦角與斷裂面和垂直面角度差的正切值tan(φ-θ)等因素有關(guān)。巖層厚度hx與巖層極限跨距[L]或巷道跨度L的比值越小，即巖層越薄，巷道越寬，鉸接巖塊結(jié)構(gòu)抗滑落失穩(wěn)的能力就越大。

2)當(dāng)巖塊的回轉(zhuǎn)工程中，咬合處拉壞造成回轉(zhuǎn)加劇，導(dǎo)致整個(gè)巖層變形失穩(wěn)。其判定條件為：

從式(4)可知，巖塊間的擠壓強(qiáng)度σp與巖梁載荷qx、巖層厚度hx、巖層極限跨距[L]或巷道跨度L和巷道頂板下沉量等因素有關(guān)，當(dāng)巖梁載荷qx越大，巖層厚度hx與巖層極限跨距[L]或巷道跨度L的比值越小，巷道頂板下沉量越大，巖塊間的擠壓強(qiáng)度σp越大，鉸接巖塊越容易失穩(wěn)，當(dāng)巖塊間的擠壓強(qiáng)度σp大于極限抗壓強(qiáng)度[σc]時(shí)，σp>[σc]，鉸接巖塊失穩(wěn)。

1.2 巷道復(fù)合頂板穩(wěn)定巖層判定依據(jù)

1.2.1 實(shí)際載荷qx分析

在巷道頂板巖梁的實(shí)際載荷qx分析中，根據(jù)第n層對第x層影響時(shí)形成的上覆巖層載荷的計(jì)算公式為[20]：

式中，Ex為第x層巖層的彈性模量，MPa；hx為第x層巖層厚度，m；γx為第x層巖層的體積力，N/m3。

第x層巖梁下位不穩(wěn)定巖層的載荷為：

Qx=γ1h1+γ2h2+…+γx-1hx-1

(6)

因此，作用于第x層巖梁上的實(shí)際總載荷分為式(7)與(8)之和：

qx=(qn)x+Qx

(7)

1.2.2 判定依據(jù)

首先根據(jù)頂板巖層分層厚度hn、分層載荷qx、分層強(qiáng)度σtx、采動(dòng)影響系數(shù)fc、埋深影響系數(shù)fm、地應(yīng)力異常影響系數(shù)fd、巖層完整性影響系數(shù)fw等指標(biāo)，判定第x層巖層的穩(wěn)定性，其準(zhǔn)則為：

最后根據(jù)逐層判斷找到穩(wěn)定巖層，獲得巷道頂板不穩(wěn)定巖層失穩(wěn)厚度即冒頂高度：

2 巷道冒頂隱患分級

2.1 巷道冒頂隱患劃分指標(biāo)體系

由式(2)—(4)可知，巷道層狀頂板穩(wěn)定巖層的高度與地應(yīng)力異常的影響系數(shù)，埋深影響系數(shù)，巖層完整性系數(shù)，單層巖層厚度，巷道實(shí)際跨度，單軸抗拉強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度，巖層實(shí)際作用載荷，巖層極限跨距，巖塊回轉(zhuǎn)角和頂板下沉量等影響因素有關(guān)。將所有影響因素從圍巖應(yīng)力、工程因素和圍巖性質(zhì)的角度整理，歸納得到影響巷道層狀頂板冒頂隱患級別劃分因素主要有地應(yīng)力、巷道埋深、巷道斷面尺寸、頂板變形破壞特征、頂板巖性及結(jié)構(gòu)組合、圍巖力學(xué)性質(zhì)和地下水與局部地質(zhì)構(gòu)造等，如圖5所示。

圖5 巷道層狀頂板影響冒頂高度指標(biāo)體系

然而地應(yīng)力、巷道埋深、巷道斷面尺寸、頂板巖性及結(jié)構(gòu)組合、頂板變形破壞特征、圍巖力學(xué)性質(zhì)(單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、巖石內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量)等參數(shù)都是分析巷道層狀頂板穩(wěn)定巖層高度的重要影響因素之一，但不能單獨(dú)作為級別劃分的指標(biāo)，然而這些影響因素都與巷道層狀頂板穩(wěn)定巖層的高度直接關(guān)聯(lián)，它們直接或間接影響巷道頂板不穩(wěn)定巖層厚度即冒頂高度。

2.2 巷道冒頂隱患分級方法

Ⅰ類頂板冒頂高度最小，位于常規(guī)錨桿能夠錨固到的范圍之內(nèi)，將Ⅰ類頂板最大冒頂高度設(shè)定為1.5m，此類頂板需要維護(hù)的載荷和巖層重量都較小，能夠作為承載層，一般不會(huì)發(fā)生冒落高度較大的頂板事故，在設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)過程中只需要保證承載層內(nèi)巖石不發(fā)生局部冒落即可。

Ⅱ類頂板冒頂高度大于Ⅰ類頂板，已經(jīng)超過了常規(guī)錨桿可以錨固到的范圍，但仍位于短錨索能夠錨固到的范圍之內(nèi)，將Ⅱ類頂板最大冒頂高度設(shè)定為3.5m，此類頂板依然可以作為承載層，在設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)過程中只要常規(guī)“錨桿+短錨索”支護(hù)形式，該類頂板不會(huì)發(fā)生冒落高度較大的頂板事故。

Ⅲ類頂板冒頂高度已經(jīng)較大，超過了常規(guī)錨桿和短錨索錨固范圍之內(nèi)，此類頂板必須采用長錨索來進(jìn)行支護(hù)，將Ⅲ類頂板最大冒頂高度設(shè)定為5.5m，由于此類頂板冒頂高度大，巷道頂板完整巖層下部巖體破壞范圍也相對嚴(yán)重，在井下容易發(fā)生冒頂事故。

Ⅳ類頂板冒頂高度最大，超過了常規(guī)的錨索長度能夠錨固到的范圍，這類頂板由于破壞范圍大、冒頂高度高，損毀后果及危害程度嚴(yán)重。因此，要在高強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)觀測與監(jiān)測工作，如增加錨索密度、直徑、長度以及架設(shè)工鋼棚等，爭取將冒頂隱患風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3 巷道冒頂隱患分級與支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 巷道層狀頂板冒頂高度判別軟件

巷道層狀復(fù)合頂板冒頂高度判定軟件由Java語言開發(fā)而成，輸入一個(gè)鉆孔整體層位信息，可從上至下輸入巖性，涉及范圍到頂板破壞高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巷道5倍的影響半徑，滿足判斷巷道冒頂高度要求，同時(shí)針對每一巖層，要對應(yīng)買個(gè)地面鉆孔和窺視鉆孔巷道頂板巖層從下至上依次輸入，單層厚度，巖性，巖性代碼，抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，彈性模量，體積力，巷道跨度，巷道埋深，實(shí)測地應(yīng)力，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，最終得到巷道層狀復(fù)合頂板冒頂高度H值，點(diǎn)擊保存。

3.2 巷道層狀頂板冒頂隱患級別劃分

以神東礦區(qū)石圪臺礦2-2煤層為例進(jìn)行巷道層狀頂板冒頂隱患分級。由于篇幅有限，參數(shù)獲取過程和結(jié)果不再贅述，將每個(gè)地面鉆孔和頂板窺視鉆孔的巖層參數(shù)代入到開發(fā)的巷道層狀頂板穩(wěn)定性判定軟件中，得到層狀頂板失穩(wěn)累計(jì)高度，結(jié)合SURFER軟件的插值與繪圖功能，從而將冒頂隱患級別對應(yīng)到該煤礦采掘工程平面圖上，獲得頂板穩(wěn)定性分類圖，不同冒頂級別區(qū)域是由不同等值線來區(qū)分，相同的等值線包括的范圍就是冒頂隱患級別相同的頂板類型，如圖6所示。

圖6 石圪臺礦2-2煤頂板穩(wěn)定性分類圖

根據(jù)圖6分析結(jié)果可知，石圪臺礦2-2煤頂板冒頂隱患級別區(qū)劃特點(diǎn)：

1)井田以Ⅱ和Ⅲ級隱患頂板為主，其中大巷主要布置在Ⅰ和Ⅱ級隱患頂板區(qū)域，大巷穩(wěn)定性較好。

2)井田大巷以西區(qū)域Ⅰ和Ⅱ級隱患頂板居多，東北區(qū)域以Ⅲ和Ⅳ級隱患頂板居多，頂板穩(wěn)定性較差。

3)Ⅲ級頂板和Ⅳ級頂板分界區(qū)域，大多為高冒風(fēng)險(xiǎn)頂板，在巷道施工過程中需要重點(diǎn)監(jiān)測，及時(shí)采取合理有效補(bǔ)強(qiáng)措施，避免出現(xiàn)傷人事故。

3.3 基于巷道冒頂隱患分級的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

基于石圪臺礦2-2煤頂板不同級別頂板隱患區(qū)域，給出了回采巷道頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方案，具體如下：

Ⅰ類：頂板采用錨桿支護(hù)，Φ18mm×2000mm的A3圓鋼錨桿，間排距為1200mm×1100mm，每排4根錨桿，錨頭錨固，CK2350樹脂1卷。

Ⅱ類：頂板采用錨桿加錨索支護(hù)，Φ18mm×2100mm的左螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，每排5根錨桿，端頭錨固，CK2350樹脂1卷；Φ15.24mm×4500mm的錨索，間排距為3000mm×3000mm，CK2350樹脂3卷。

Ⅲ類：頂板采用錨桿、錨索、鋼帶加網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，Φ20mm×2100mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1100mm×900mm，每排4根錨桿，端頭錨固，CK2350樹脂1卷，壓Φ14鋼筋鋼帶；Φ15.24mm×6500mm的錨索，間排距為2500mm×2000mm，CK2350樹脂1卷，壓Φ14鋼筋鋼帶，6.5mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為150mm×150mm。

Ⅳ類：頂板采用加長錨桿、錨索、鋼帶加網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，必要時(shí)架設(shè)工鋼棚，Φ20mm×2100mm的螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×800mm，每排5根錨桿，加長錨固，CK2350和M2350樹脂各1卷，壓Φ14鋼筋鋼帶；Φ15.24mm×8000mm的錨索，間排距為1500mm×2000mm，CK2350樹脂3卷，壓Φ14mm鋼筋鋼帶，6.5mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為150mm×150mm。

4 結(jié) 論

2)建立了煤巷復(fù)合頂板冒頂隱患級別劃分指標(biāo)體系，給出了隱患分級方法，將巷道冒頂高度作為冒頂隱患的分級指標(biāo)，利用Java語言程序開發(fā)了巷道層狀頂板穩(wěn)定性判定軟件，結(jié)合SURFER軟件的插值與繪圖功能，繪制出了石圪臺礦2-2煤巷道頂板冒頂隱患級別分級圖。

3)掌握了石圪臺礦2-2煤頂板冒頂隱患級別區(qū)劃特征，井田以Ⅱ和Ⅲ級隱患頂板為主，大巷主要布置在Ⅰ和Ⅱ級隱患頂板區(qū)域，穩(wěn)定性較好，大巷以西區(qū)域Ⅰ和Ⅱ級隱患頂板居多，以東北區(qū)域Ⅲ和Ⅳ級隱患頂板居多，尤其Ⅲ級和Ⅳ級頂板分界區(qū)域，需重點(diǎn)監(jiān)測，及時(shí)采取合理有效補(bǔ)強(qiáng)措施。

4)根據(jù)石圪臺礦2-2煤頂板冒頂隱患級別區(qū)劃特征，給出了基于巷道冒頂隱患分級的回采巷道頂板支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方案，為該礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。