趙志堂-煤巷頂板離層控制原理

目錄一、引言 3二、煤巷頂板離層控制原理 4（一）、頂板垮冒類型 4（二）、頂板支護失穩(wěn)型式 5（三）、頂板過程控制對策 6三、承載結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性分析方法 8（一）、關(guān)鍵巖梁結(jié)構(gòu) 8（二）、強化承載拱結(jié)構(gòu) 9（三）、留小煤柱沿空掘巷的大小結(jié)構(gòu) 10四、高強預(yù)拉力支護技術(shù) 10（一）、高性能預(yù)拉力錨桿支護技術(shù) 10（二）、小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索梁技術(shù) 12（三）、高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng) 12五、結(jié)束語 13參考文獻 14煤巷頂板離層控制原理摘要首先提出極易離層破碎型煤巷頂板的概念，分析了該類頂板的兩種垮冒現(xiàn)象及對應(yīng)的兩類錨桿支護失穩(wěn)形式，進而提出基于高強預(yù)拉力支護的頂板離層控制原理和新型高性能頂板控制技術(shù)，通過分步實施高性能預(yù)拉力錨桿、頂板小孔徑預(yù)拉力錨索和上幫角煤巖體為錨固基點的鋼絞線預(yù)拉力桁架系統(tǒng)可以實現(xiàn)離層破碎型頂板的安全控制．關(guān)鍵詞：煤巷頂板；垮冒；離層控制；高強預(yù)拉力支護一、引言據(jù)煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，“十五”以來我國國有大中型煤礦煤巷樹脂錨桿支護應(yīng)用比例已達到6O%，頂板的安全可靠性成為這一技術(shù)進一步推廣應(yīng)用的重要制約因素，特別是厚層復(fù)合破碎頂板條件下使用錨桿支護[1]時冒頂事故時有發(fā)生，支護易于失效．如何消除冒頂、確保煤巷頂板安全是進一步發(fā)展煤巷錨桿支護的關(guān)鍵．煤礦層狀賦存的頂板巖體結(jié)構(gòu)中，煤巷較上部一層至數(shù)層厚度大、強度高的堅硬巖層不受巷道開挖影響，一般能夠自穩(wěn)，不需人工支護，而煤層及其頂?shù)装宥嗍菑姸鹊?、厚度小的薄層狀巖層組成。當頂板軟弱巖層較薄時適用懸吊理論，用錨桿將薄層軟巖錨固在堅硬巖層上即可以保證安全。這種條件在美、澳等國外先進采礦國家比較普遍，因而煤巷錨桿使用比重較高。但我國煤層賦存條件復(fù)雜多樣，多數(shù)條件頂板軟弱層較厚，松動破碎區(qū)范圍大，懸吊理論不適用，支護困難較大。以兩淮礦區(qū)為例，大部分煤層頂板是由多層松軟巖層和煤線組成的復(fù)合破碎頂板，比如淮南礦區(qū)13槽、11槽和6槽煤層，淮北臨渙煤田7#、8#、9#煤層，宿縣礦區(qū)8#煤層。這些煤層內(nèi)廣泛分布的頂板具有如下賦存特點：1)頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟弱夾層和層理十分發(fā)育，掘后頂板破碎范圍大，空頂自穩(wěn)時間短，極易發(fā)生離層垮冒；2)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)煤層含有堅固性系數(shù)f值僅為0.2～O.5的軟弱煤線，煤體松散破碎，堅固性系數(shù)f值低于1.0，錨固性能差；3)采深普遍達到500——600m，部分進入800m以下；4)煤層賦存狀態(tài)頻繁變化，構(gòu)造影響隨處可見、隨時可遇，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力十分突出，水平應(yīng)力的作用顯現(xiàn)明顯；5)高瓦斯礦區(qū)，通風斷面要求大，巷道跨度大；6)頂板裂隙水發(fā)育，泥化嚴重。我們稱這類頂板為離層破碎型頂板。該類頂板累計不穩(wěn)定層厚度很大，常常達到5.O～1O.Om以上，受巷道空間限制錨桿長度一般不能超過3.Om。在該種條件下采用高強樹脂錨桿支護后，錨固區(qū)巖體得到有效加固，但整個錨固區(qū)仍處于不穩(wěn)定范圍內(nèi)，即錨桿支護能限制錨桿長度范圍內(nèi)巖體的變形，消除錨固區(qū)內(nèi)離層，并產(chǎn)生很大的支護抗力，但避免不了在錨桿長度以外的頂板弱面離層，進而導(dǎo)致垮冒，頂板的安全可靠性很低。二、煤巷頂板離層控制原理（一）、頂板垮冒類型通過煤巷掘進施工迎頭的長期觀察，結(jié)合國內(nèi)部分煤礦的一些典型冒頂現(xiàn)象[3-4]，離層破碎型頂板主要表現(xiàn)為2種垮冒類型：隨巷道掘進開挖出現(xiàn)臨空自由面，應(yīng)力重新分布，軟弱圍巖必然出現(xiàn)破壞，通常有0.5～1.5m厚的松動層(頂板煤巖互層)隨掘隨冒，有時受端頭效應(yīng)影響處于潛在冒落狀態(tài)，打眼等微小的施工擾動都可能誘發(fā)垮冒．而目前的支護方式和施工技術(shù)客觀上具有一定的滯后性，因此頂板表層軟弱巖體的冒落是不可避免的，稱之為松脫型垮冒(圖la)，其范圍一般在0.5～1.5m內(nèi)，主要是巖層自重對裂隙產(chǎn)生的張拉作用，產(chǎn)生的負荷一般在15～25kPa以內(nèi)．隨著松動范圍擴展到錨固區(qū)以外，在水平應(yīng)力和自重應(yīng)力雙重作用下，錨固區(qū)發(fā)生彎曲變形，上位弱面受水平剪切破壞，層間位移導(dǎo)致弱面離層[5]，密集的錨桿群尾部產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中進一步加劇附近軟弱面的離層破壞，錨固區(qū)變形持續(xù)發(fā)展直至整體垮冒，稱之為擠壓型垮冒(圖lb)(a)松脫型垮冒(b)擠壓型垮冒圖1離層破碎型煤巷頂板的2種垮冒類型目前常用的頂板控制方式為架棚支護和普通高強錨桿支護，由于架后空虛，棚式支護架設(shè)之初對頂板松動巖體沒有任何作用，而“九五”期間形成的錨桿支護技術(shù)更多地強調(diào)了錨桿支護系統(tǒng)的強度，其初錨力仍很低，一般僅能達到5kN/根，尚不足以平衡松脫巖體重量，因此這兩種低初始支護力的支護形式不能阻止松動范圍的進一步擴大，不能防止松脫型冒頂，直到松動破壞巖體充滿架后空區(qū)支架才起作用，或圍巖碎脹變形充分后錨桿才被動承載．而巷道開挖后在圍巖很小變形時(約在破壞載荷的25%以下)，脆性特征明顯的巖體就出現(xiàn)開裂、離層、滑動、裂紋擴展和松動等現(xiàn)象，支護的滯后性不能阻止圍巖的開裂、滑動和弱化．只有當圍巖的開裂位移達到相當?shù)某潭?在鋼筋混凝土中達到極限載荷的6O%～75%)以后，錨桿才起作用，這時松動范圍內(nèi)圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪能力．也就是說，這里圍巖和錨桿不同步承載，先是圍巖受力破壞，達到一定程度，錨桿開始承載，在目前的開采深度不大和非強烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，這種矛盾常常不突出，支護的成功掩蓋問題的實質(zhì)．（二）、頂板支護失穩(wěn)型式離層破碎型頂板條件下，由于初始支護阻力很小，后續(xù)的支護承載結(jié)構(gòu)不能自穩(wěn)，必然表現(xiàn)出為向上漸次垮冒的動態(tài)發(fā)展過程，首先是松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產(chǎn)生裂隙，錨固強度衰減，進而導(dǎo)致錨固區(qū)整體穩(wěn)定性的削弱或破壞，稱之為錨固區(qū)內(nèi)離層；錨固區(qū)本身的完整性較好，但整體變形過大，不能阻止向上的漸進破壞，導(dǎo)致外層弱面離層，稱之為錨固區(qū)外離層．錨固區(qū)外離層的持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒，如圖2所示．第一種冒頂主要是破裂巖體在自重作用下發(fā)生的，第二種冒頂則主要是頂板次生水平應(yīng)力的作用效應(yīng)。兩淮礦區(qū)的典型煤層頂板在掘進時表現(xiàn)為強烈的冒頂傾向，根據(jù)頂板破碎程度、最大完整層厚度不同而表現(xiàn)出不同的空頂自穩(wěn)時間。通常掘進循環(huán)進尺一般都要求在1.Om以內(nèi)，支護稍有遲緩便會冒頂。首先表現(xiàn)為松脫型冒頂，隨后由于支護的能效過低、圍巖持續(xù)變形發(fā)展為錨固區(qū)外離層的擠壓型冒頂。圖2錨固區(qū)整體垮冒（三）、頂板過程控制對策如前所述，錨桿安裝之初對圍巖的作用主要取決于錨桿預(yù)拉力的大小，而與支護體系的強度關(guān)系不大。已有的技術(shù)更多地強調(diào)了錨桿材料的強度而忽視了錨桿的實際能效，這里定義錨桿的支護能效為錨桿載荷與圍巖變形量的乘積。圖3為淮南謝橋煤礦煤巷錨桿載荷實測曲線。由圖3可見，錨桿預(yù)拉力的提高不僅會改善錨桿的增阻速度，同時對錨桿的最終載荷影響很大，也就是說不同的預(yù)拉力產(chǎn)生了不同的錨桿工作曲線。由此說明提高錨桿預(yù)拉力和增加錨桿強度是同樣重要。這也是將錨桿預(yù)拉力作為最重要支護參數(shù)開展支護設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化的理論依據(jù)。圖3煤巷錨桿載荷實測曲線基本思路是通過控制頂板的漸進破壞過程，消除兩類冒頂．頂板離層控制原理如圖4所示．圖4頂板離層控制原理圖1)消除松脫型垮冒．通過提高錨桿的初始徑向張力，及時將松脫區(qū)巖體與上位巖體擠壓加固在一起，阻止頂板巖石松脫范圍的進一步擴大．當錨桿預(yù)緊力小于松脫巖體重量時，松動范圍進一步發(fā)展，向上漸次松動，錨固區(qū)巖體逐漸破壞，產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致支護失效；當錨桿預(yù)緊力大于松脫巖體重量時，則克服了這個缺陷，通常初始支護強度要達到25～45kPa．實際上，錨桿安裝之初對圍巖的作用與支護體系的強度關(guān)系不大，主要取決于錨桿預(yù)緊力的大小，錨桿載荷實測曲線揭示出錨桿預(yù)緊力的提高不僅會改善錨桿的增阻速度，同時對錨桿的最終載荷影響很大，也就是說不同的預(yù)緊力產(chǎn)生了不同的錨桿工作曲線．2)控制漸次離層，消除擠壓型垮冒．首先增大錨固范圍，形成有效的加固厚度，提高錨固區(qū)巖體的強度和抗剪剛度，并對深部圍巖提供側(cè)向約束，維護錨固區(qū)外圍巖弱面自身的力學性能，調(diào)動深部圍巖的自身強度和穩(wěn)定性．當頂板不穩(wěn)定層厚小于5～6m，錨固范圍達到穩(wěn)定巖層，并具有足夠的強度時，即能保持頂板的安全，頂板預(yù)拉力錨索(梁)支護是合適的選擇．當頂板不穩(wěn)定層厚很大，錨固范圍不能達到頂板深部穩(wěn)定巖層區(qū)時，將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，利用巷道兩幫煤體上角的圍巖擠壓區(qū)，建立強化承載結(jié)構(gòu)，形成向上的反力矩，平衡水平應(yīng)力對頂板巖層的破壞作用，同時也預(yù)防頂板錨固結(jié)構(gòu)失效時的突發(fā)垮冒．基于巷道上幫角錨固的桁架系統(tǒng)能夠滿足這個要求，錨固點應(yīng)深入到強化承載拱內(nèi)．三、承載結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性分析方法根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)特征[6]和巷道圍巖支護環(huán)境的不同，提出如下3種結(jié)構(gòu)形式，分析其穩(wěn)定性．（一）、關(guān)鍵巖梁結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)適用于較薄復(fù)合頂板、關(guān)鍵層距頂板較近的條件，該種結(jié)構(gòu)只需要加大錨固范圍，并分析關(guān)鍵巖層和下位巖體間的合理連接強度。通常假定頂部上位關(guān)鍵巖層沒有破壞，滿足如下2個條件就能實現(xiàn)頂板穩(wěn)定：第一個條件(最小承載力原則)式中：為錨桿群的承載強度，kPa；為錨桿的破斷載荷，kN/套；N為錨桿數(shù)量，套/m2；為頂板關(guān)鍵巖層下松動范圍巖層重量，kPa；、分別為單位面積內(nèi)頂板關(guān)鍵巖層下面的松動范圍內(nèi)依次向上的軟弱巖層密度(kN/m3)和厚度(m)；為抗拉系數(shù)，考慮采動影響和巷道位置因素，取2.0～4.0。第二個條件(最小預(yù)緊力原則)式中：為初始支護強度，kPa；為錨桿預(yù)拉力，kN/套；為松動巖層的重量，kPa；為防松動系數(shù)，根據(jù)頂板的復(fù)雜程度，取1.5～2.0。（二）、強化承載拱結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)適用于厚層復(fù)合頂板、關(guān)鍵層較遠的條件，在關(guān)鍵層下面能夠形成自然承載拱；需要建立具有一定強度能夠自穩(wěn)的整體錨固圈層，并與外圍的承載拱建立合理的連接．頂部上位關(guān)鍵巖層沒有破壞，并不受支護影響，實現(xiàn)頂板穩(wěn)定需滿足如下2個條件：第一個條件：錨固范圍不出現(xiàn)弱面離層，即滿足最小預(yù)緊力原則．第二個條件(最小抗剪切原則)：肩角支護的抗剪切破壞條件，即式中：為頂板潛在冒落塊沿巷道上肩角區(qū)域有滑移傾向時，支護提供剪切面上的抗剪力；為抗剪系數(shù)，考慮采動影響和巷道位置因素，取3.0～4.0；為錨固區(qū)整體下滑產(chǎn)生的極限剪力。文獻[1]給出了巷道頂板中部拉伸和肩角剪切破壞的穩(wěn)定性判據(jù)：式中：——原巖體的內(nèi)摩擦角；——潛在冒落塊體的重量；——錨桿排距；——頂角錨桿處于冒落范圍以外的錨固力；——頂角錨桿安裝角度；——潛在冒落范圍內(nèi)的最大水平應(yīng)力的穩(wěn)定值；——側(cè)向荷載深度比的穩(wěn)定值；——冒落塊高度；——錨桿軸向等效應(yīng)力對錨固體強度的強化系數(shù)；——由錨桿錨固力引起的錨桿軸向方向的等效應(yīng)力；——錨固體的單向抗壓殘余強度。（三）、留小煤柱沿空掘巷的大小結(jié)構(gòu)針對留小煤柱沿空掘巷特殊的圍巖條件，應(yīng)用關(guān)鍵層理論和數(shù)值計算分析方法提出大小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本論點：沿空掘巷上覆巖體“關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)”無論在巷道掘進前、掘進時還是在掘進后均可以保持穩(wěn)定；在本區(qū)段工作面回采時，頂板的關(guān)鍵三角板雖然有一定程度的回轉(zhuǎn)下沉運動但不會失穩(wěn)，即大結(jié)構(gòu)是可以自穩(wěn)的。這對保持沿空掘巷的穩(wěn)定性提供了先決的外部條件。這一結(jié)論為留小煤柱沿空掘巷的可行性分析和合理留設(shè)煤柱提供科學的理論指導(dǎo)。合理地選擇煤柱尺寸能夠保證大結(jié)構(gòu)下的沿空掘巷頂板壓力顯現(xiàn)較小，支護的關(guān)鍵是保持頂板巖層的整體性，采用錨桿支護時需要提供足夠的預(yù)拉力和一定的加固厚度。四、高強預(yù)拉力支護技術(shù)（一）、高性能預(yù)拉力錨桿支護技術(shù)主要包括新型高性能預(yù)拉力錨桿和M型鋼帶這兩項新產(chǎn)品，通常組合成錨、帶、網(wǎng)支護形式。1、新型高性能預(yù)拉力錨桿針對我國目前錨桿加工、使用中存在的缺陷和問題，從錨桿桿體材質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)的選擇、錨桿快速安裝螺母的研制、絲扣加工及技術(shù)要求、提高錨桿預(yù)拉力的措施等幾個方面研制新型錨桿的結(jié)構(gòu)和性能，并明確提出高性能錨桿的概念，規(guī)范了新型錨桿6個方面的技術(shù)性能及加工要求：①采用優(yōu)質(zhì)無縱筋左旋螺紋鋼加工，其強度和延伸率都符合高強度錨桿對材質(zhì)的要求，材質(zhì)優(yōu)良，取材方便，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，不必二次加工；②外端螺紋部采用等強度或增強加工新工藝，螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強度相當；③配雙重墊圈，一個尼龍墊圈減小螺母和托盤的摩擦阻力以保證實現(xiàn)預(yù)拉力(初錨力)，另一個凹形墊圈調(diào)整錨桿外端受力以改善螺母受力狀態(tài)；④扭矩螺母實現(xiàn)快速機械安裝結(jié)構(gòu)；⑤通過墊圈變形這一醒目的標志直觀顯示安裝施工質(zhì)量，并標定錨桿預(yù)拉力；⑥配套的新型附件性能優(yōu)越，包括M型托盤配套頂板M型鋼帶、槽型托盤配套幫用的Ⅱ型輕型帶鋼，用料省、整體力學性能好，都屬于更新?lián)Q代產(chǎn)品，有多種規(guī)格和多個系列。該類錨桿比普通高強錨桿具有兩方面優(yōu)勢：①安裝可靠性好，能夠?qū)崿F(xiàn)高預(yù)拉力。M20規(guī)格的單套高性能預(yù)拉力錨桿破斷力在180kN以上，預(yù)拉力達到20～30kN。初始支護強度達到30～45kN/m2，在及時支護和短循環(huán)條件下都能夠超過初始松動巖體重量形成的負荷。②通過扭矩螺母實現(xiàn)機械安裝，通過雙重減摩墊圈保證必需的預(yù)拉力，結(jié)合墊圈變形直接顯示安裝質(zhì)量，安裝質(zhì)量的顯性化大大方便了現(xiàn)場施工管理，確保安全。本項技術(shù)不僅強調(diào)錨桿的強度，同時進一步強調(diào)錨桿的預(yù)拉力、機械安裝及安全可靠性等綜合性能。實測表明高性能錨桿的支護能效系數(shù)是普通高強錨桿的3～4倍。該類錨桿從1999年研制成功以來，已安全支護巷道130余萬米并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化加工。2、新型M型鋼帶新型M型鋼帶與國外普遍采用并在我國廣泛推廣的W型鋼帶相比，具有如下幾個優(yōu)點：①其抗彎截面模量為W型鋼帶的3倍左右；②高翼緣形斷面，抗撕裂性好，解決了W型鋼帶在高地壓煤巷使用容易撕裂的缺陷；③兩個方向的截面模量差別大，向下截面模量是向上截面模量的2.75倍，因此很容易與頂板密貼，同時向下截面模量很大，能有效控制錨桿問的圍巖松動，維持頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)效應(yīng)。通過調(diào)整厚度，M型鋼帶已形成系列產(chǎn)品，可以適應(yīng)不同地質(zhì)條件、不同支護強度的要求。（二）、小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索梁技術(shù)由于鋼絞線不受巷道斷面尺寸限制，通過專用機具可以十分方便地在150kN范圍內(nèi)調(diào)節(jié)預(yù)拉力，因此小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索科學地調(diào)動了深部圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，在煤巷中應(yīng)用廣泛。雙錨索可以組合成預(yù)拉力錨索梁技術(shù)、雙斜拉錨索技術(shù)和幫部錨索加固技術(shù)，為頂板控制提供了新的選擇。在離層破碎頂板．中大量使用錨索加固時，為了與預(yù)拉力錨桿相匹配，一般應(yīng)采取低張、短錨和適當滯后的錨索使用原則，即錨固范圍一般不宜超過5．O～8．0m，預(yù)張力選定在60--~80kN范圍內(nèi)。由此減少了錨索提前破斷的現(xiàn)象，弱化了錨索剛度過大因而對圍巖變形適應(yīng)性差的副作用。為了實現(xiàn)鋼絞線與鉆孔的緊密匹配，并提高錨索的承載能力，18mm、20mm鋼絞線的錨索成套技術(shù)及裝備的應(yīng)用越來越多。（三）、高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)針對頂板松動范圍大、地質(zhì)異常帶等特殊地段，利用巷道圍巖變形規(guī)律，將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，通過高強度的預(yù)應(yīng)力鋼絞線傳遞張拉力，直接作用于頂板錨固區(qū)圍巖，有效控制厚層復(fù)合頂板離層。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，直接利用M型鋼帶作受力基礎(chǔ)，并由專用機具實現(xiàn)初張力，其支護原理如圖5所示。圖5鋼絞線桁架支護原理高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)是預(yù)防頂板垮冒、錨固失效的可靠手段，設(shè)計的雙孔環(huán)形連接器可以十分方便地連接兩根鋼絞線，并便于機械張拉，如圖6所示，施工工藝和張拉過程與小孔徑預(yù)拉力錨索完全一致。圖6桁架連接裝置五、結(jié)束語本文研究了離層破碎型煤巷頂板的垮冒規(guī)律