采區(qū)巷道復(fù)合頂板變形破壞規(guī)律技術(shù)研究

張連良 王勝

(陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西咸陽 713602)

采區(qū)巷道復(fù)合頂板變形破壞規(guī)律技術(shù)研究

張連良 王勝

(陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西咸陽 713602)

長期以來,國內(nèi)外很多專家學(xué)者對煤礦巷道復(fù)合頂板變形機(jī)理和控制技術(shù)做了大量的研究工作,取得了一批重要的理論研究成果,提出了眾多的復(fù)合頂板控制實(shí)用技術(shù)。然而,這些研究很少對整個(gè)復(fù)合頂板進(jìn)行受力分析和變形分析,沒有意識到加固后的復(fù)合頂板本身也是支撐體,可以支護(hù)圍巖。

復(fù)合頂板 控制技術(shù) 破壞規(guī)律

錨桿支護(hù)是我國煤巷支護(hù)技術(shù)改革的發(fā)展方向。自從80年代中后期在徐州、新汶、淮南、西山等少數(shù)幾個(gè)礦區(qū)進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的研究和試驗(yàn)以來，經(jīng)過20余年的發(fā)展，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巷道中使用錨桿支護(hù)的問題已經(jīng)完全解決，目前我國國有大中型煤礦煤巷錨桿支護(hù)應(yīng)用的比例已經(jīng)達(dá)80%。

1 復(fù)合頂板的概念

復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)一般為軟硬巖互層，或有煤線及軟弱夾層存在，巖層間粘結(jié)力極低，弱面發(fā)育，很容易發(fā)生頂板離層，造成冒頂事故。復(fù)合頂板支護(hù)的難度在于巖層間的結(jié)合力低，有軟夾層地質(zhì)弱面存在，普通錨桿無法錨固到上部穩(wěn)定巖層中，承載能力有限。而且軟夾層本身的松動(dòng)膨脹也會(huì)對下位巖層形成較大的垂直載荷，加上受采動(dòng)影響，易造成錨桿與錨固頂板整體垮落。

2 煤巷復(fù)合頂板變形破壞的力學(xué)機(jī)理

復(fù)合頂板區(qū)別于其他層狀頂板的根本構(gòu)造原因就在于復(fù)合頂板中存在軟弱夾層，軟弱夾層本身的強(qiáng)度變形特性就比較復(fù)雜，復(fù)合頂板失穩(wěn)破壞就開始于軟弱夾層，因此這部分著重分析復(fù)合頂板中軟弱夾層在頂板支護(hù)前后的力學(xué)狀態(tài)。

3 復(fù)合頂板在水平方向構(gòu)造應(yīng)力和垂直方向自重應(yīng)力作用下的受力狀態(tài)

復(fù)合頂板在水平方向的構(gòu)造應(yīng)力作用主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，頂板各巖層所受的水平方向的構(gòu)造應(yīng)力大小與各層厚度有關(guān)。下面我們先來分析復(fù)合頂板各巖層都承受多大的水平方向構(gòu)造應(yīng)力。

4 復(fù)合頂板的撓曲變形機(jī)理分析

巷道開挖后，巷道圍巖為承載的主體結(jié)構(gòu)。對于復(fù)合頂板，一般直接頂分層厚度較薄，分層厚度與巷道跨度之比基本滿足薄板假定，因此可視為薄板結(jié)構(gòu)。

復(fù)合頂板內(nèi)各巖層的破壞雖然是始于軟弱夾層，但對整個(gè)復(fù)合頂板巷道而言其破壞宏觀上是從頂板最表層開始破壞失穩(wěn)并逐漸向上擴(kuò)展。若頂板巖性均勻，則位于表面的第一層巖石最容易發(fā)生屈曲破壞，第一層發(fā)生屈曲破壞后與第二層分離，第二層成為表面層其受力狀態(tài)與第一層相似，如滿足屈曲破壞條件將發(fā)生屈曲破壞，第三層又成為表面層，如此循環(huán)，直到某一巖層不滿足屈曲破壞條件為止。因此我們?nèi)?fù)合頂板最下層巖層為研究對象，研究其撓曲變形機(jī)理。

從上面分析我們可以看出，隨著垮厚比的增大，臨界應(yīng)力減小，頂板穩(wěn)定性惡化，也就是說當(dāng)巷道和頂板巖石的單軸抗壓強(qiáng)度不變時(shí)，層狀頂板分層厚度對頂板的穩(wěn)定性有重要影響，分層厚度越小，垮厚比越大，頂板發(fā)生屈曲破壞的臨界應(yīng)力越小，頂板也就越容易失穩(wěn)。

圖1 復(fù)合頂板變形破壞規(guī)律

5 復(fù)合頂板變形破壞規(guī)律分析

通過前面關(guān)于復(fù)合頂板受力狀態(tài)的分析我們可知復(fù)合頂板在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下的變形規(guī)律為：①結(jié)構(gòu)承載調(diào)整，巷道在開挖后復(fù)合頂板由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)突然變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，頂板巖層應(yīng)力釋放并產(chǎn)生一定量的下沉;②結(jié)構(gòu)剛度弱化，軟弱夾層在荷載作用下破壞，降低了復(fù)合頂板的整體剛度，使頂板結(jié)構(gòu)弱化，造成巷道頂板發(fā)生較大的二次變形;③應(yīng)力調(diào)整，復(fù)合頂板中其他巖層進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，產(chǎn)生少量的撓曲變形;④結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(或穩(wěn)定)，若巷道頂板能夠承受圍巖荷載則經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整后頂板變形趨于穩(wěn)定，巷道頂板不會(huì)失穩(wěn)破壞;若巷道頂板不能承受圍巖荷載則經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整后頂板劇烈變形并失穩(wěn)破壞。(見圖1)

6 復(fù)合頂板變形破壞影響因素分析

煤巷復(fù)合頂板的失穩(wěn)變形是在地應(yīng)力、圍巖力學(xué)性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)、巷道斷面等因素共同作用下產(chǎn)生的。由上面的分析可知對復(fù)合頂板穩(wěn)定性影響的因素主要有以下幾點(diǎn)：

(1)地應(yīng)力，地應(yīng)力包括水平方向的構(gòu)造應(yīng)力和垂直方向的自重應(yīng)力，它們是引起煤巷復(fù)合頂板變形和破壞的根本原因，復(fù)合頂板在垂直方向的自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎矩，在復(fù)合頂板各巖層中表現(xiàn)為產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致頂板軟弱夾層被拉壞甚至堅(jiān)硬巖層被拉壞;水平方向的構(gòu)造應(yīng)力在復(fù)合頂板各巖層中產(chǎn)生壓應(yīng)力，這對垂直方向的自重應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)力起減弱作用，水平方向的構(gòu)造應(yīng)力增大了復(fù)合頂板各巖層的撓曲變形，因此在進(jìn)行復(fù)合頂板支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視水平方向的構(gòu)造應(yīng)力的作用。

(2)圍巖力學(xué)性質(zhì)，圍巖力學(xué)特性對復(fù)合頂板的穩(wěn)定性有重要影響。表征圍巖力學(xué)特性的物理量主要有：圍巖強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、凝聚力、泊松比等，頂板圍巖的力學(xué)參數(shù)越高，頂板應(yīng)力越小、變形越小，巷道越穩(wěn)定。

(3)圍巖結(jié)構(gòu)，煤層巷道圍巖一般呈層狀分布，并且不同程度地受節(jié)理、裂隙的切割。巷道頂板巖層各分層的巖性、厚度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度對頂板的穩(wěn)定影響極大。在巷道頂板巖性一定的情況下，分層厚度、節(jié)理裂隙間距越大，巷道頂板穩(wěn)定性越好，那么頂板離層值就越小。對復(fù)合頂板而言，由于軟弱夾層的存在，復(fù)合頂板在不支護(hù)的條件下很難保持穩(wěn)定。從復(fù)合頂板的支護(hù)就是要盡量減少單個(gè)分層的厚度，提高復(fù)合頂板的整體性。

(4)巷道斷面，巷道斷面的大小也對復(fù)合頂板的穩(wěn)定有重要影響。巷道跨度愈大，復(fù)合頂板應(yīng)力越大，愈不利于巷道頂板的穩(wěn)定。因此，在保證生產(chǎn)的條件下應(yīng)盡量減小巷道尺寸，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巷幫的支護(hù)。因?yàn)橄锏涝谑艿交夭蓜?dòng)壓的影響時(shí)，兩幫煤壁有可能會(huì)因承受巨大的支撐壓力而片幫，片幫將擴(kuò)大巷道跨度并改變懸空頂板的支承條件，從而擴(kuò)大巷道的跨度。

7 結(jié)語

綜上所述，要改善煤巷復(fù)合頂板的受力狀態(tài)，維護(hù)復(fù)合頂板的穩(wěn)定性就要從以上幾個(gè)方面著手。在保證安全生產(chǎn)的條件下盡量減小巷道尺寸、加強(qiáng)巷幫支護(hù)，采用錨桿支護(hù)、注漿等方法改善頂板圍巖的力學(xué)性質(zhì)和圍巖結(jié)構(gòu)。

[1]馬慶虎,賈春雨.12CM系列煤巷復(fù)合頂板系統(tǒng)分析[J].中國煤炭,2007,2(4)：55-57.