煤巷斷層區頂板破斷機制分析及支護對策研究

摘要：針對斷層區煤巷頂板破斷的問題，研究了頂板應力分布規律，分析了不同頂板壓力、跨高比和支護強度等因素下的頂板破斷機制。從理論上研究得出頂板深梁最大有效剪應力隨跨高比增加而增加，并呈現出三種不同的破斷形式，斷層區域的斷層巷道應該盡可能早的安裝強力的支護設施，以增強其支護強度，正斷層巷道在斷層面周圍應該增強護表效果，從而實行先控后抗的支護策略，體現了有效的發揮支護結構的作用，還能有效利用圍巖的自身承受能力。利用上述的支護方案對于焦作礦區斷層區預防頂板破斷有顯著的效果。

關鍵詞：煤巷斷層 頂板破斷 分析 支護結構 預防

頂板破斷事故是煤礦生產中的五大災害之一，一旦災害發生，其后果相當嚴重，據統計，頂板事故造成的人員傷亡事故對于煤礦總的死亡事故占了很大的比例，大概在四成以上，造成的傷亡比例為所有事故傷亡人數的50%，雖然事故因素多種多樣，但斷層占據了比較大的比例，并且斷層極易引起頂板整體破斷垮塌，造成更為嚴重的后果，所以研究煤巷斷層區頂板破斷機制分析和支護結構對策對煤礦業有很重大的意義。

1 斷層區頂板事故的原因研究

根據以往在作業中發生的頂板事故，研究分析出了斷層區巷道變形破斷和冒落等的主要因素，分為如下三點：一是地質條件突變，煤礦區由于地質條件極其復雜，在煤巷工作中往往都面臨著地質條件突變影響。特別對于斷層破碎帶等圍巖條件的劇變，通常的支護預防方案并不能及時的去適應圍巖結構的劇烈地變化，不能很好的做到預防的作用，使得風險事故的發生；二是頂板的破斷機制不明確，頂板結構不是單一的，在遇到斷層后，對于斷層區的頂板變形破斷機制沒有一個明確的認識，使得斷層區的圍巖支護結構有很大的盲目性；三是在設計時的設計不到位、不合理，通常都是根據一般的經驗來進行設計，不具備針對性，斷層區頂板事故的發生我們認為這是一個最主要的原因，設計的支護方案不具備針對性，有些地方設計的甚至是不合理的，使得斷層構造發生后支護結構不能有效的進行支撐保護，錯失了支護的最佳時間，留下了極嚴重的風險隱患。

2 斷層區頂板破斷機制的研究

煤巷都是從斷層的一盤跨越到另一盤，本文僅僅研究的是斷層區危險性最大的下降盤水平掘進到上升盤，當軟弱頂板（例如原直接頂為2-5m厚的泥巖）厚度逐漸增加，原來的支護措施不能及時有效的控制增加的軟弱頂板變形，使得形成一種頂板懸臂梁的結構，當該懸臂梁結構破斷時，整個支護結構將受到嚴重的破壞。根據以往對地下工程頂板失穩現象的研究，再結合斷層區頂板破斷的事故進行分析，建立頂板彈性深梁力學模型。

2.1 建立力學模型的前提條件。斷層分為正斷層和逆斷層，所以正斷層模型和逆斷層模型都要進行科學的建立。當地質在突變過后，地質條件的變得極其脆弱而復雜，使得頂板周圍的地質強度下降，支護的措施不能隨地質改變而改變，不能及時的適應突變的地質，造成支護強度降低，從而發生垮塌的事故。下圖為巷道頂板垮落橫截面示意圖，我們就以該基礎進行了巷道軸向縱剖面上的頂板受力變形破斷機制。

我們將薄的直接頂板1通過粘合的方式與最上的堅硬的頂板1緊緊的結合起來，并把它們作為一個整體的穩定變形體，最終都不會遭到破壞，如下圖：

2.2 研究簡單力學模型的建立。①研究中把由多層巖層組成的直接頂板2看作一個整體，并將其作為直接的研究對象，把其橫截面簡化成簡單的矩形，可以按平面應力的方式來進行研究。②為了在模型中方便計算，研究中把斷層走向和巷道軸線之間的夾角認為90°，并認為煤巖是連續均勻的水平彈性體。③我們把直接的頂板2外端設成約束的固定端。④因為實際情況中的頂板結構相對很復雜，在研究時，盡量采取簡單類似的情況進行，把頂板作用力p1和直接頂板的重量γh簡化成一個恒定大小的均勻荷載p，直接的作用在直接頂板2的巖梁表面。把結構中的支護抗力Fs和FB一起簡化成一個均勻荷載q作用于下表面。FB是在圖1中垮落面上部對垮落體的作用力，可以看成是下方對垮落體的支護力的一部分。綜上所述，我們可以建立如下的正斷層圖和逆斷層圖：

2.3 根據以上的力學模型，來分別的計算應力分量和最大的效剪應力（由于計算過于復雜，此處不予詳細列舉）。

3 支護對策在煤礦工程中的運用

3.1 支護對策的研究。根據對斷層區的頂板破斷情況進行了分析，并結合了實際情況，主張以錨索梁為主，即在破碎區域運用注漿加固的方法在煤巷斷層區使用，該支護運用的是高強讓壓型錨索組合梁的支護結構，其系統的主要關鍵構件有箱型支護梁、錨索讓壓環、高預應力錨索構成的讓壓型錨索組合梁與高強錨桿，與此同時可以給其裝備鋼帶、金屬網和托盤等配套設施設備。該支護結構和傳統的槽鋼錨索梁支護結構和工字鋼支護結構相對比有幾個明顯的優勢，它具有可讓壓、高強、高剛、護表面積大等特點。運用上述的方案可以很好的滿足頂板深梁理論分析結構為基礎的支護要求，對正斷層和逆斷層均有比較好的支護效果。①錨索組合梁支護結構和錨桿（索）結構進行比較，前者不僅可以提供一個相對更大的支護力，加強支護的強度，并對系統進行了優化，在懸臂巖梁自由端增加一個有效的支護荷載，以減小梁內最大的有效剪應力，提升了結構的壽命。②錨索梁在支護中可以利用錨索把直接頂的作用力傳遞到周圍的穩定巖層上，再和組合型支護共同作用，改善了整個支護系統的受力狀態。③支部結構把長錨索預應力利用組合型支護梁將直接作用于直接頂的表面，使得護表面積和預應力范圍同時得到了增加，頂板支護效果也得到加強，減少了頂板剝落失穩現象。④讓壓型錨索組合梁結構能在施工后就可以及時的進行傳力支護，當支護周圍的巖壓力達到一定程度時，該結構系統進行讓壓措施，此后由組合型支護梁進行支護保護，不僅保障了支護周圍巖土結構的完整、不劇變，還從根本上最大限度的運用了巖土的自承能力。⑤在巷道頂板斷層的極易破碎處，把注漿錨桿、錨索同時有機結合的方式來加固巷道的破碎區域，加強破碎區域圍巖的完整性，提高其自身承受能力，保障頂板的穩定。

3.2 工程實例。煤業礦區由于埋度大、地層條件復雜、地應力高，存在多處的斷層結構，根據防治斷層區頂板破碎失穩相關建議，采用高強讓壓型錨索組合梁支護方案進行施工，有效的避免頂板破斷情況，并使巷道安全順利的跨過了斷層的破碎處。結果表明，斷層區的巷道變形始終保持著變化極小的狀態，達到了很良好的支護效果。和以前的架棚式支護和其他支護相比較，其特點還是相對比較突出的。下圖是讓壓型錨索組合型梁在實際使用中的效果圖（在15091運輸巷，為期一個月），并給出了煤巷斷層區變形監測結果圖。

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作者簡介：

任建輝（1986-），男，河南鄭州人，焦煤能源古漢山礦，副科長，助理工程師，研究方向：煤礦采掘設計及技術管理。