張 輝 賈后省 馮井龍 陳 濤

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454003；2.級翔 (集團)級索煤礦，山東省滕州市，277500)

弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道主要存在于淺埋煤層，一般圍巖變形量不大，在常規(guī)錨桿 (索)承受能力之內(nèi)，頂板變形控制問題不大，但個別區(qū)域仍存在冒頂隱患。煤礦現(xiàn)場巷道支護設(shè)計實踐中，大多是從宏觀的角度來研究一個井田、一個煤層的圍巖穩(wěn)定性，對于煤礦巷道頂板巖性和巖層結(jié)構(gòu)存在的時刻變化缺乏應(yīng)對的措施與手段，同一條巷道頂板穩(wěn)定性均為同一類別，均以一個煤層地質(zhì)綜合柱狀圖的巖層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行一刀切設(shè)計并將其結(jié)果用于整條巷道或整個盤區(qū)，以點代面、以偏概全，支護形式及支護參數(shù)選擇難以適應(yīng)煤巷頂板隨機變化的特點，這樣為杜絕個別區(qū)域的冒頂，難免造成地質(zhì)條件好的地段支護過剩，地質(zhì)條件不好的地段支護不足。本研究針對該問題提出基于巷道冒頂隱患級別的支護設(shè)計方法，以冒頂隱患分級結(jié)果為基礎(chǔ)，做到巖變我變，按照頂板巖層實際穩(wěn)定性級別進行差異化設(shè)計，對于礦井支護設(shè)計的科學(xué)化、保證巷道頂板安全有指導(dǎo)意義。

1 巷道冒頂隱患級別支護設(shè)計方法特性

弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道普遍存在于淺埋煤層地應(yīng)力環(huán)境下，頂板變形通常較小，其頂板特點是頂板層狀特征顯著、各層位頂板之間粘結(jié)能力弱。采用傳統(tǒng)工程類比法、松動圈測試法、理論計算法、數(shù)值模擬法直接進行支護設(shè)計勢必造成支護缺乏科學(xué)合理性。巷道冒頂隱患分級是對頂板穩(wěn)定的綜合評價，以現(xiàn)場提供的地質(zhì)鉆孔柱狀圖、圍巖物理力學(xué)參數(shù)為主要依據(jù)，對不同煤層、不同區(qū)域頂板冒頂隱患進行預(yù)測，實現(xiàn)弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道錨桿(索)支護差異化設(shè)計，同時輔助以理論計算支護方法進行冒頂控制設(shè)計，實現(xiàn)該種巷道頂板冒頂控制設(shè)計的定量計算，這種分區(qū)域的差異化支護和冒頂控制設(shè)計定量計算是弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道支護科學(xué)合理的關(guān)鍵。

2 弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道冒頂隱患分級

大量研究結(jié)果與工程實踐表明，在距離頂板一定范圍內(nèi)均存在著一層或幾層對上覆巖層局部或直至地表的全部巖層起控制作用的穩(wěn)定巖層，該穩(wěn)定巖層可作為支護體懸吊載荷的基點，因此可以將穩(wěn)定巖層距頂板的距離作為巷道冒頂隱患分級的指標(biāo)。

2.1 穩(wěn)定巖層的識別

單層巖層的穩(wěn)定跨距可以用材料力學(xué)方法求得，圖1所示為兩端固支梁的受力分析。

圖1 頂板表層巖層受力分析

已知梁內(nèi)任意點的拉應(yīng)力σ為:

式中:σ——梁內(nèi)任意點的拉應(yīng)力，MPa；

M——A點在斷面的彎矩，N·m；

y——A點離梁下邊界的距離，m；

Jz——對稱中性軸的斷面距 (取梁為單位寬度)，m3；

h——老頂巖層的單層厚度，m。任意點A的拉應(yīng)力為:

根據(jù)固支梁的計算，最大彎矩發(fā)生在梁的兩端，則應(yīng)滿足條件:

式中:L——梁的跨度，m。

將式 (3)代入式 (2)，可得該處的最大拉應(yīng)力σmax為:

當(dāng)巖層在該處的拉應(yīng)力σmax達到該處的極限抗拉強度RT時，即σmax＝RT時，巖層將在該處拉裂。根據(jù)組合梁原理，一直考慮到n層對目標(biāo)巖層影響時的載荷，即 (qn)x，一般頂板的巖層由好幾層巖層組成。因此，計算頂板巖梁的極限跨距所應(yīng)考慮載荷的大小須根據(jù)各層之間的相互影響來定，由此可得:

式中:(qn)x——巖層上方載荷，kN／m；

E1～En——第1～n層巖層的彈性模量，MPa；

h1～hn——第1～n層巖層的厚度，m；

γ1～γn——第 1～n層 巖 層 的 體 積 力，kN／m3。

根據(jù)式 (4)，在不考慮采動影響時，頂板目標(biāo)巖層的極限跨距為:

式中:Lx——頂板目標(biāo)巖層的極限跨距，m；

hx——目標(biāo)巖層的厚度，m；

RT——目標(biāo)巖層極限抗拉強度，MPa。

大量研究表明，當(dāng)回采工作面推進時，在回采巷道中引起的采動壓力跟巷道直接頂厚度與采高的比值有關(guān)，通常以巷道直接頂厚度與采高的比值代替回采期間回采巷道受采動影響程度。

在受一次采動時采動影響集中系數(shù)一般為2.5，在直接頂?shù)暮穸葹椴筛叩?倍時，采動影響集中系數(shù)最小，所以在受一次采動影響時的采動影響系數(shù)為:

在受二次采動時采動影響集中系數(shù)一般為3.5，在直接頂?shù)暮穸葹椴筛叩?倍時，采動影響集中系數(shù)最小，所以在受二次采動影響時的影響系數(shù)為:

式中:h直接頂——直接頂厚度，m；

h采高——采高，m。

考慮采動影響系數(shù)與巖體強度影響系數(shù) (巖體強度與巖石強度的比值，一般情況下可取0.65)，結(jié)合頂板目標(biāo)巖層的極限跨距，采動影響條件下可確定淺埋深條件下穩(wěn)定巖層的跨度判別公式為:

式中:f采——采動影響系數(shù)；

f強——強度影響系數(shù)；

a——巷道斷面半寬，m。

2.2 巷道冒頂隱患分級

根據(jù)式 (9)，對復(fù)合巷道頂板由淺至深進行巖層穩(wěn)定性判別，找出穩(wěn)定巖層，以穩(wěn)定巖層與巷道頂板的距離為指標(biāo)，進行巷道冒頂隱患分級，級別劃分結(jié)果如表1所示，各級別巷道冒頂特點與冒頂高度模型如圖2所示。

表1 巷道冒頂隱患分級標(biāo)準(zhǔn)與各級頂板特征

根據(jù)李家壕煤礦地質(zhì)鉆孔資料，對每個地質(zhì)狀況進行穩(wěn)定巖層判別分析，根據(jù)判別結(jié)果，運用suffer成圖軟件繪制出李家壕煤礦2-2中煤巷道頂板冒頂隱患分級圖，見圖3，礦井東北方向以Ⅰ級、Ⅱ級為主，西南方向以Ⅲ級為主，局部存在Ⅳ級頂板。

圖2 不同級別冒頂隱患巷道冒頂特點與冒頂高度模型

圖3 李家壕煤礦2-2中煤巷道冒頂隱患級別劃分結(jié)果

3 弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道支護參數(shù)設(shè)計

I級、Ⅱ級巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內(nèi)，頂板為板狀垮落，應(yīng)采用懸吊理論進行巷道支護參數(shù)設(shè)計；Ⅲ級、Ⅳ級巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，頂板成冒落拱結(jié)構(gòu)應(yīng)采用冒落拱理論進行巷道支護參數(shù)設(shè)計。

3.1 Ⅰ級、Ⅱ級頂板巷道支護設(shè)計方法

Ⅰ級、Ⅱ級巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內(nèi)，如圖4(a)所示，頂板為板狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用懸吊理論進行巷道支護參數(shù)設(shè)計。

(1)頂板錨桿 (索)長度。頂板錨桿 (索)長度計算:

式中:l1——錨桿 (索)外露長度，取決于錨桿(索)托盤厚度、螺母厚度，m；

l2——錨桿 (索)有效長度，應(yīng)該大于等于被懸吊巖層的厚度，m；

l3——錨桿 (索)錨固長度，一般取0.5～1.0m，應(yīng)由拉拔試驗確定。

圖4 Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級頂板支護設(shè)計模型

(2)頂板錨桿 (索)間排距設(shè)計。

根據(jù)每根錨桿 (索)懸吊載荷大小確定錨桿(索)間距N1和排距N2，即錨桿 (索)懸吊巖石的載荷PV小于等于錨桿 (索)的承載力Q，則考慮安全系數(shù)的情況下有:

式中:N1——錨桿 (索)間距，m；

N2——錨桿 (索)排距，m；

γ——懸吊巖石容重，kN／m3；

PV——懸吊巖石的載荷，kN／m；

Q——錨桿 (索)的承載力，kN；

m——安全系數(shù)。

3.2 Ⅲ級、Ⅳ級頂板支護參數(shù)設(shè)計方法

Ⅲ級、Ⅳ級巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，如圖4(b)所示，頂板成冒落拱結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用冒落拱理論進行巷道支護參數(shù)設(shè)計。

普氏從松散、破裂巖石出發(fā)，導(dǎo)得天然拱的高度:

在計算過程中，考慮安全系數(shù)，則天然拱高度計算公式為:

式中:h0——天然拱高度，m；

f——巖石普式硬度系數(shù)；

b——隧硐半寬或當(dāng)須考慮側(cè)壓力時為滑動楔形上頂之半寬，m；

H——巷道掘進高度，m；

θf——巖 (煤)體的內(nèi)摩擦角，(°)。

Ⅲ級、Ⅳ級錨桿 (索)長度主要取決于頂板冒落拱高度，必須確保將冒落拱區(qū)域內(nèi)破碎巖石穩(wěn)定懸吊，其長度主要包括錨桿 (索)外露長度、有效長度、錨固長度，仍同樣由式 (10)得出，巷道每排需要的錨桿 (索)根數(shù)為:

根據(jù)以上分析，依據(jù)式 (10)可分別確定各級別巷道錨桿 (索)長度，根據(jù)式 (11)和式 (14)可以分別確定各級別巷道錨桿 (索)支護密度，實際計算時，先是根據(jù)施工工藝與巷道寬度確定錨桿(索)間距，隨后計算得出錨桿 (索)排距。當(dāng)巷道跨度為5m時，根據(jù)上述設(shè)計和計算方法，頂板采用普通錨桿＋錨索聯(lián)合支護形式時，5m跨度條件下弱粘結(jié)復(fù)合頂板煤巷支護設(shè)計參照標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，以此為標(biāo)準(zhǔn)，便可以確定不同冒頂隱患級別巷道的具體支護參數(shù)。

圖5 試驗巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果

4 支護設(shè)計實例

根據(jù)圖3所示的冒頂隱患分級結(jié)果，主要級別是Ⅱ級和Ⅲ級，Ⅰ級和Ⅳ級較少，在現(xiàn)場生產(chǎn)條件允許的情況下，支護設(shè)計僅針對Ⅱ級和Ⅲ級，應(yīng)用表2所示的參照標(biāo)準(zhǔn)對李家壕2-2中煤11211運輸巷進行了錨桿 (索)支護參數(shù)設(shè)計，支護設(shè)計參數(shù)見表3。并對巷道進行了表面位移觀測，觀測結(jié)果如圖5所示，可以看出，試驗巷道兩側(cè)的Ⅱ級頂板下沉量多在40～80mm，距離巷口位置較近的區(qū)域局部達到70～100mm，中部Ⅲ級頂板下沉量在60～100mm，巷道總體變形量不大，滿足設(shè)計 要求，服務(wù)期間未出現(xiàn)冒頂事故。

表2 巷道跨度5m時錨桿 (索)支護參數(shù)設(shè)計參照標(biāo)準(zhǔn)

表3 試驗巷道錨桿 (索)支護參數(shù)設(shè)計

5 結(jié)論

(1)形成了弱粘結(jié)復(fù)合頂板巷道冒頂隱患分級方法，將頂板分為4個級別，為不同圍巖條件巷道的差異支護設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

(2)確定了以巷道冒頂隱患分級為基礎(chǔ)的理論計算方法進行錨桿 (索)支護巷道冒頂控制設(shè)計。Ⅰ級、Ⅱ級巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內(nèi)，頂板為板狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用懸吊理論進行巷道支護參數(shù)設(shè)計；Ⅲ級、Ⅳ級巷道的穩(wěn)定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，頂板成冒落拱結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用冒落拱理論進行巷道支護參數(shù)設(shè)計。

(3)基于巷道冒頂隱患分級與支護參數(shù)設(shè)計方法研究，給出了不同頂板級別條件下的頂板錨桿(索)支護參數(shù)設(shè)計參照標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果良好。

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