頂板離層特征及離層臨界值研究應(yīng)用

1、類、類圍巖頂板離層特征及離層臨界值研究應(yīng)用1、課題的提出隨著采深的增加，巷道圍巖的壓力也隨之增大，目前850水平工作面埋深超過千米，巷道圍巖逐漸呈現(xiàn)軟巖特征，圍巖變形大，給巷道支護(hù)帶來了極大的難題，雖然煤巷錨桿支護(hù)具有許多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在一個(gè)突出的缺點(diǎn)：頂板的破壞失穩(wěn)具有突發(fā)性，且冒落規(guī)模比較大，因而更具危害性。只有完善錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)才能確保錨桿支護(hù)巷道的安全可靠性，目前錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容很多，但監(jiān)測(cè)頂板離層、變形破壞、預(yù)防頂板冒落是最重要的內(nèi)容之一，為此我礦對(duì)類類圍巖巷道安裝頂板離層指示儀，然后建立電子檔案管理，通過電子檔案資料分析其頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而掌握巷道頂板錨固內(nèi)錨固外的離層量，通過頂板離

2、層錨固范圍內(nèi)、外的離層量計(jì)算出了各煤層頂板離層臨界值，當(dāng)巷道頂板離層接近臨界值時(shí)，我們對(duì)巷道頂板采取針對(duì)性的支護(hù)措施，從而為礦井安全生產(chǎn)提供了有利的保障。 2、研究的目的分析影響頂板離層的因素。直接頂?shù)奈锢砹W(xué)特征與離層的關(guān)系。采礦活動(dòng)對(duì)頂板離層的影響。確定煤巷不同巖性頂板的離層界限值。掌握離層特征，為支護(hù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用頂板提供科學(xué)依據(jù)。3、頂板離層監(jiān)測(cè)手段根據(jù)我礦類類圍巖巷道頂板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，頂板巖性、厚度、節(jié)理發(fā)育和膠結(jié)等地質(zhì)條件，按照實(shí)際監(jiān)測(cè)需要，確定整體上布置頂板離層指示儀進(jìn)行巷道離層監(jiān)測(cè)，特殊地段可以多安裝頂板離層指示儀，從而更加準(zhǔn)確的掌握頂板運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。3.1頂板離層指示儀型號(hào)、特點(diǎn)

3、、用途型號(hào)：采用LBY-3型頂板離層指示儀。特點(diǎn)： 該儀器的主要特點(diǎn)是，儀器可以測(cè)量錨桿支護(hù)巷道頂板兩個(gè)范圍內(nèi)的離層值，即錨桿錨固范圍內(nèi)外的離層；離層顯示窗貼有反光膜標(biāo)尺，離層顯示明顯、直觀。頂板離層指示儀用途主要用于測(cè)量巷道6m錨固范圍內(nèi)及錨固范圍外的頂板離層量，適用于錨桿支護(hù)的巷道及需測(cè)量頂板位移量的工作面。為煤礦工程技術(shù)人員和監(jiān)測(cè)工作人員提供確定錨桿的支護(hù)技術(shù)，了解所使用錨桿的合理性、經(jīng)濟(jì)性而需要的科學(xué)依據(jù)。從而有效地防止頂板冒落事故的發(fā)生，確保煤礦安全生產(chǎn)。3.2頂板離層指示儀安裝儀器安裝范圍按照集團(tuán)公司錨桿支護(hù)技術(shù)管理規(guī)定，我礦類類圍巖煤巷半煤巷錨桿支護(hù)巷道均要安設(shè)頂板離層指示儀監(jiān)測(cè)

4、。儀器安裝距離根據(jù)集團(tuán)公司有關(guān)規(guī)定，各煤層巷道每80米安裝一臺(tái)頂板離層指示儀。復(fù)合頂板應(yīng)力集中區(qū)等特殊地段跟據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件縮小間距安設(shè)，安設(shè)初始位置距迎頭不超過15米，杜絕漏安和超距離安裝。儀器安裝方法由區(qū)隊(duì)負(fù)責(zé)在巷道頂板兩鋼帶之間的中間位置打眼，鉆孔27mm、深6米，由防沖辦專人安設(shè)，深基點(diǎn)安裝在6米處，淺基點(diǎn)安裝在錨固范圍內(nèi)端頭位置，按正規(guī)操作安設(shè)好儀器。具體安裝見頂板離層指示儀安裝圖圖14、頂板離層分析4.1、影響頂板離層的因素分析地質(zhì)條件對(duì)頂板離層的影響對(duì)于層狀巖層頂板結(jié)構(gòu)，巖石硬度，分層厚度，膠結(jié)程度對(duì)頂板離層都會(huì)產(chǎn)生影響。頂板巖層的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)離層的影響觀測(cè)表明離層一般發(fā)生在每一分層

5、之間的交界面上，因此，層狀巖層弱面是頂板開始發(fā)生離層的位置，隨著巷道掘出時(shí)間的增長(zhǎng)，頂板離層量有增大趨勢(shì)，說明巖石強(qiáng)度的衰減對(duì)層狀破碎頂板離層起到非常重要的作用。采礦活動(dòng)對(duì)頂板離層的影響采礦活動(dòng)造成巷道應(yīng)力增大，加巷道周邊應(yīng)力劇烈變化造成頂板離層增加迅速。支護(hù)參數(shù)對(duì)頂板離層的影響支護(hù)參數(shù)不合理，不能有效控制圍巖變形，也容易導(dǎo)致頂板離層。4.2 頂板離層特性復(fù)合頂板呈明顯層狀分布，且有弱面膠結(jié)比較差，破壞由下向上發(fā)展，開始形成離層。擴(kuò)容特性明顯，節(jié)裂、裂隙、裂紋、張開、出現(xiàn)新裂紋導(dǎo)致巖體體積增大，擴(kuò)容膨脹，發(fā)生離層。巷道最大離層是位于巷道頂板的中部。5、巷道頂板離層界限值研究確定5.1頂板離層概

6、念頂板離層是指巷道服務(wù)期內(nèi)頂板巖層中一點(diǎn)與其正上方一定深度巖層中某點(diǎn)的相對(duì)位移量，可稱其為廣義頂板離層。在實(shí)際應(yīng)用中一般將廣義的頂板離層劃分為錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層和錨固范圍外頂板離層，由此可以看出廣義頂板離層與“頂板離層”字面含義是不同的。“頂板離層”字面理解為頂板巖層中各分層層面間的相對(duì)分離，可稱其為狹義頂板離層。廣義頂板離層有著更廣闊的內(nèi)含，它除包括狹義的“頂板離層”外，還包含頂板巖層彈塑變形、擴(kuò)容變形、碎脹變形、折曲變形等。頂板離層界限是指錨桿支護(hù)巷道在正常使用的情況下所允許的頂板離層的范圍。超過這一范圍意味著頂板將處于非穩(wěn)定狀態(tài)之中，應(yīng)該更加密切注意頂板動(dòng)態(tài)，及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，

7、否則頂板離層可能會(huì)進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞。須明確的是，頂板離層界限并非頂板失穩(wěn)冒落時(shí)的離層極限值。離層極限值很難確定，因?yàn)轫敯迕奥浒l(fā)生在瞬間，受多種因素的影響，隨機(jī)性很大，難以捕捉。另外巷道頂板失穩(wěn)冒落是我們盡力避免發(fā)生的，頂板離層極限值在工程上也沒有太大的實(shí)際意義。在這里我們只研究頂板離層界限值。5.2離層指標(biāo)選取：頂板離層與許多因素有關(guān)，并且有非常復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系。確定離層界限與各影響因素，不可能把全部因素包含在內(nèi)，根據(jù)影響的程度進(jìn)行取舍，選取其中一些基本指標(biāo)做為確定頂板離層界限的根據(jù)。選取指標(biāo)的兩條基本原則指標(biāo)是影響頂板離層的主要因素選取的指標(biāo)容易從現(xiàn)場(chǎng)獲取，方便現(xiàn)場(chǎng)使用，據(jù)此

8、，選取了下面8項(xiàng)指標(biāo)，其中、H、B、Q為基本指標(biāo)，KR、K、Ms為修正指標(biāo)，1）頂板離層強(qiáng)度：取頂板上方相當(dāng)于巷道寬度范圍內(nèi)各巖層單軸抗壓強(qiáng)度的加權(quán)平均值。2）頂板完整性系數(shù)KR：巖體的完整性對(duì)其整體強(qiáng)度影響很大，工程上一般用煤巖完整性系數(shù)表示，可按表1選取。表1圍巖完整性系數(shù)參考指標(biāo)節(jié)理間距（mm）分層厚度（m）類別完整性系數(shù)KR>3>2圍巖整體性很好0.751-31-2圍巖整體性較好0.650.4-10.3-1圍巖整體性一般0.55圍巖整體性較差0.45<0.1<0.05圍巖整體性很差0.353）埋藏深度H：表示原始垂向應(yīng)力的大小，等于地表水平標(biāo)高與巷道所在水平標(biāo)高

9、的差值。4）應(yīng)力集中系數(shù)K：反映了采動(dòng)引起集中應(yīng)力的影響，與護(hù)巷煤柱尺寸及上下臨近開采層的影響有關(guān)，可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取K0.5-6，單一煤層，實(shí)體煤中開巷K15）側(cè)壓系數(shù)：水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值，根據(jù)地應(yīng)力實(shí)側(cè)結(jié)果給出，沒有地應(yīng)力測(cè)試的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.3-5，一般可取16）巷道寬度B：取巷道腰線位置的設(shè)計(jì)寬度。7）錨桿支護(hù)強(qiáng)度Q：?jiǎn)挝幻娣e上的支護(hù)力。8）錨固系數(shù)Ms：錨固長(zhǎng)度對(duì)錨桿支護(hù)效果的影響，用錨固段長(zhǎng)度C與錨桿長(zhǎng)度L的比值表示。5.3頂板離層計(jì)算公式根據(jù)煤科院巷道室研究成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，建立頂板離層界限的函數(shù)形式：式中：a1、a2、a3為待定系數(shù)加入修正指標(biāo)上式即為：加入安全

10、系數(shù)，對(duì)上式的待定系數(shù)進(jìn)行回歸分析，錨固段內(nèi)頂板離層的計(jì)算公式：錨固段外頂板離層界限計(jì)算公式：說明：式和式是比較典型的頂板巖層條件下，頂板離層界限的計(jì)算公式，還需在生產(chǎn)中進(jìn)一步的檢驗(yàn)和修正，在地質(zhì)條件變化時(shí)需加一定的安全系數(shù)。5.4確定不同層位頂板離層界限值首先，我們利用公式和式對(duì)頂板離層界限進(jìn)行理論計(jì)算，得到錨固范圍內(nèi)和錨固范圍外頂板離層界限值，然后在主要巷道設(shè)觀測(cè)站，觀測(cè)到頂板離層值和頂板離層極限值。 頂板離層極限值是致使巷道失穩(wěn)的頂板離層值，出現(xiàn)下列條件之一，即表明巷道失穩(wěn)：巷道頂板屈服范圍大于B/2。錨桿受力超過其破斷力。頂板發(fā)生大范圍冒落或滑移。根據(jù)頂板離層計(jì)算公式及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)條件

11、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合分析，得到我礦不同層位頂板離層界限值。表2我礦不同層位頂板離層界限值層位頂板離層界限錨固范圍內(nèi)離層界限錨固范圍外離層界限二層120mm20mm四層150mm22mm十一層100mm18mm6、各層位頂板離層監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析6.1各煤層巷道頂板離層數(shù)據(jù)表巷道測(cè)筒編號(hào)支護(hù)材料內(nèi)測(cè)筒外測(cè)筒總離層量1202E運(yùn)輸巷螺紋鋼錨桿離層量mm13127158速度mm/d2.150.442.59淮北錨桿離層量mm175067速度mm/d0.270.821.09高預(yù)緊力錨桿離層量mm102535速度mm/d0.160.410.571404W運(yùn)輸巷高預(yù)緊力錨桿離層量mm56460速度mm/d1.120.

12、081.241112W運(yùn)輸巷螺紋鋼錨桿離層量mm3710速度mm/d0.070.160.236.2各煤層巷道觀測(cè)數(shù)據(jù)分析通過各煤層巷道離層最大的離層量來看，二層巷道離層量比四層和十一層巷道要大的多，因?yàn)槎酉锏理敯鍨閺?fù)合頂板，（具體見二層頂板離層柱狀圖圖2），四層巷道頂板一般為砂巖特殊地段頂板為頁(yè)巖，十一層巷道頂板一般為砂質(zhì)頁(yè)巖。在1202E運(yùn)輸巷三種支護(hù)段的頂板離層指示儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)及曲線圖可以看出，離層量大小分，螺紋鋼錨桿支護(hù)段的離層量淮北錨桿支護(hù)段離層量高預(yù)緊力錨桿的離層量，并且螺紋鋼錨桿支護(hù)地段頂板離層量及離層速度非常之大。通過鉆頂板離層指示儀安裝孔可知，該巷道頂板直接頂頁(yè)巖厚2m，其上

13、為0.9m的煤，再上為1m頁(yè)巖，具體見柱狀圖。此巷道錨桿的長(zhǎng)度為2.5m，錨固端不能錨固在穩(wěn)定的巖層之內(nèi)，而是錨固在煤體內(nèi)。當(dāng)巷道受到水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力作用時(shí)，巷道在錨固范圍內(nèi)外兩巖層與煤層的接觸面發(fā)生離層，因此造成巷道錨固范圍內(nèi)、外離層較大。1202E運(yùn)輸巷頂板離層柱狀圖 圖2 二層煤巷道直接頂多數(shù)為頁(yè)巖，頁(yè)巖性脆，所以二層煤巷道在開挖過程中破壞了圍巖連續(xù)性，使頁(yè)巖的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，安裝錨桿后，雖然將錨固范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行了有效支護(hù)。由于錨桿支護(hù)本身是讓壓支護(hù)，螺紋鋼錨桿又具有延展性，圍巖在重新分布過程中，巷道周邊圍巖產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，重新分布的應(yīng)力沒有超過巖體的強(qiáng)度，圍巖只產(chǎn)生變形和位

14、移，反之，如果應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度，圍巖就要破壞。因此圍巖在重新分布過程中，造成錨固范圍內(nèi)的巖層裂隙繼續(xù)增大，致使錨固范圍內(nèi)出現(xiàn)離層。因錨桿安裝時(shí)給錨桿足夠的預(yù)緊力，所以將錨固范圍內(nèi)的離層穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)。二層煤巷道頂板為復(fù)合頂板，容易在軟硬巖層的接觸面或軟弱面發(fā)生離層。通過二層煤巷道鉆安裝孔時(shí)所揭露的煤巖層可知，除直接頂為砂巖的個(gè)別巷道外，二層煤巷道多數(shù)頂板為頁(yè)巖平均厚約0-3米，所以錨桿端部不能錨固在堅(jiān)硬的砂巖中。巷道開挖后，應(yīng)力重新分布使巷道周邊圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)巷道圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度時(shí)，巷道頂板容易在軟硬巖的夾層的軟弱面發(fā)生離層。因該煤層巷道屬?gòu)?fù)合頂板，巷道上覆軟硬巖層

15、的接觸面粘結(jié)力不大，巷道頂板極易發(fā)生離層，從而造成巷道頂板錨固范圍外離層。通過四層煤巷道觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，因四層煤巷道頂板多數(shù)為砂巖，所以四層煤巷道頂板離層量較小，其原因主要是與四層煤頂板的巖性有關(guān)。1404W運(yùn)輸巷頂板雖然是砂巖，但是頂板存在層狀巖層，因此也屬于復(fù)合頂板的范疇，因此該巷道頂板離層量較大。通過十一層煤巷道頂板離層數(shù)據(jù)分析比較，錨固范圍內(nèi)與錨固范圍外離層量相差不大。從該巷道頂板離層觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，該煤層頂板離層基本沒有超過頂板離層臨界值。其原因該煤層巷道直接頂為砂質(zhì)頁(yè)巖，厚在6米以上。離層指示儀深基點(diǎn)與淺基點(diǎn)都固定在砂質(zhì)頁(yè)巖范圍內(nèi)。由此可見，錨固范圍內(nèi)與錨固范圍外離層是在同一巖層內(nèi)。因

16、為十一層是同一種物質(zhì)的巖性，沒有弱面存在，因此該煤層巷道頂板穩(wěn)定，離層量不大。只是在巷道開挖階段，利用錨桿支護(hù)時(shí)破壞了巷道圍巖應(yīng)力平衡，錨固范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生裂隙出現(xiàn)很小的離層。但不會(huì)對(duì)巷道安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。6.3交岔口頂板離層數(shù)據(jù)分析交岔口頂板離層數(shù)據(jù)表煤層巷道測(cè)筒編號(hào) 支護(hù)材料內(nèi)測(cè)筒外測(cè)筒總離層量二層1202E運(yùn)輸巷螺紋鋼錨桿離層量mm13846184速度mm/d1.70.572.27四層3418E回風(fēng)巷高強(qiáng)錨桿離層量mm322658速度mm/d0.430.350.78十一層11107E運(yùn)輸巷高強(qiáng)錨桿離層量mm10717速度mm/d0.220.150.37通過安設(shè)在巷道交叉口處的頂板離層指示

17、儀觀測(cè)數(shù)據(jù)及曲線圖可知，其頂板離層量比同條巷道不受構(gòu)造影響的頂板離層量及離層速度都大，三岔口處頂板離層較大的原因是當(dāng)?shù)谝粭l巷道開挖后，破壞了圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向應(yīng)力狀態(tài)，水平應(yīng)力向頂板巖層轉(zhuǎn)移，垂直應(yīng)力向兩幫煤體轉(zhuǎn)移。頂板下位巖層主要受水平應(yīng)力的作用。因巷道交叉口處頂板的對(duì)角線跨度比任何單一巷道的跨度都大，頂板在水平應(yīng)力的作用下，巖層很容易失穩(wěn)破壞，從而造成頂板離層較大的原因。6.4 頂板離層預(yù)警提示1404W運(yùn)輸巷靠近大斷層附近施工，且頂板含有多層弱面的復(fù)合頂板，頂板管理難度加大，在這種情況下，通過離層指示儀實(shí)施監(jiān)測(cè)記錄頂板離層

18、，以及發(fā)生發(fā)展過程，對(duì)控制頂板離層起到了很好的作用。如施工過程中，離層指示儀顯示數(shù)據(jù)，錨固范圍外達(dá)到了30mm，超過頂板離層界限值，為此，現(xiàn)場(chǎng)制定措施，補(bǔ)打錨桿和錨索，從而控制了頂板進(jìn)一步離層，避免了巷道失穩(wěn)和頂板事故。7、效果評(píng)價(jià)頂板離層量牌板、記錄本數(shù)據(jù)顯示，為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供頂板動(dòng)態(tài)信息，直觀、簡(jiǎn)單、方便、易懂，實(shí)用性強(qiáng)。巷道電子檔案和頂板離層動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。為掌握每條巷道的頂板動(dòng)態(tài)信息打下基礎(chǔ)。頂板離層界限值的確定，為頂板離層預(yù)警提示提供了科學(xué)依據(jù)。8、結(jié)論與建議8.1揭示頂板離層規(guī)律煤巷多為回采巷道，其位置不容選擇，且受回采動(dòng)壓影響，加上煤層一般比巖層軟弱，賦存條件一般比較復(fù)雜，因

19、此煤巷錨桿支護(hù)比巖巷要困難的多。通過在我礦安裝頂板離層指示儀，獲得大量的數(shù)據(jù)，從有針對(duì)性二、四、十一層煤巷道頂板離層指示儀觀測(cè)數(shù)據(jù)及曲線圖分析表明，得出以下規(guī)律通過各煤層巷道的離層指示儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，得出結(jié)論四層和十一層巷道頂板離層量較小。從而說明了該煤層巷道頂板基本穩(wěn)定，對(duì)安全生產(chǎn)不夠成威脅。二層、四層、十一層巷道相比較，二層巷道頂板離層量要大一些。 受地質(zhì)條件影響的巷道頂板離層很大。巷道交岔口處的頂板離層量大。通過在各煤層巷道安裝的頂板離層指示儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，掌握了各煤層巷道在不同圍巖條件下頂板離層、發(fā)展、穩(wěn)定的全過程以及各階段的離層量和時(shí)間，確定巷道頂板穩(wěn)定期，為支護(hù)提供了科學(xué)依

20、據(jù)。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和安打質(zhì)量是影響頂板離層的主觀因素，相同的支護(hù)參數(shù)，圍巖條件，離層量卻有較大的差別，主要是取決支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿施工質(zhì)量。完整頂板離層是由下往上逐漸發(fā)展的，復(fù)合頂板離層是由弱面首先開始離層。二層煤巷道屬?gòu)?fù)合頂板，復(fù)合頂板在巷道開挖后，圍巖變形很小時(shí)，就出現(xiàn)開裂、離層、滑動(dòng)、裂紋擴(kuò)展和松動(dòng)等，使圍巖強(qiáng)度大大弱化。特別當(dāng)巷道受高水平地應(yīng)力時(shí)更容易造成復(fù)合頂板離層。巷道交叉口處頂板的對(duì)角線跨度比任何單一巷道的跨度都大，經(jīng)研究表明，交叉口處的巷道更易發(fā)生頂板離層。所以為了保證巷道交叉口頂板安全，一定加強(qiáng)交叉口處頂板控制。確保巷道交叉口處的安全。從各煤層巷道的離層量及離層數(shù)值來看，多數(shù)巷道頂板離層首先從錨固范圍內(nèi)出現(xiàn)。說明煤巷錨桿支護(hù)成敗的關(guān)鍵在于施工質(zhì)量。嚴(yán)格的施工管理是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的重要保證。為保證各煤層巷道正常安全生產(chǎn)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)施工組織管理、施工技術(shù)管理、施工質(zhì)量管理。為此在巷道頂板離層觀測(cè)時(shí)，特別關(guān)注復(fù)合頂板和交叉口及地質(zhì)構(gòu)造的巷道頂板變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)各煤層頂板錨固范圍內(nèi)離層很大時(shí)，應(yīng)及時(shí)