复杂条件下大断面巷道顶板冒落机理分析

复杂条件下大断面巷道顶板冒落机理分析

目前，中国采井区屋顶碎片事故的比例仍保持在45%左右。近年来，随着采井技术和装备的逐步提高，使井板岩屑事件的发生逐步减少。另一方面，随着采井深度的深化和道路段的扩大，以及地质构造、水理作用和技术力的扰动，道路围岩环境发生了显著变化。道路维护技术投资和理论研究相对薄弱，道路顶板事故的发生率相对增加。根据统计数据，2005年2月至2006年6月，神华宁煤矿集团枣泉煤矿12205路段发生了三次屋顶坍塌。最大坍塌区域（长宽高）为15m5m7.1m，给矿山安全生产带来了极大的破坏。因此，在分析和研究屋顶事故的原因时，应加强屋顶的稳定性，减少屋顶事故的发生。目前，复杂围岩环境下的井巷技术的（维护）联合防护是大多数工程实践中使用的主要方法。然而，由于复杂围岩环境的认识水平较低，对联合防护性能的研究有限，在生产实践中，联合防护仍然存在潜在的安全风险和经济障碍。因此，在安全合理的前提下，有效控制复杂围岩环境下的边坡开挖技术的稳定性已成为煤炭安全工程的一项紧迫任务。本文以枣泉煤矿12205条采区走廊顶板及复杂条件下的顶板及各种材料的力学为背景，研究了复杂条件下大断面顶板的坍塌机理，并提出了《多介质结构结构移植技术人员》。1df7-4巷道枣泉煤矿12205首采面胶带运输巷位于二煤上分层,沿煤层底板布置,断面形状为异形,巷道顶板留有1.2m煤皮,直接顶为炭质泥岩,厚2.7m,基本顶为细粒砂岩,厚4.5m,底板和两帮分别处于煤层之中,见图1.从图1可知,巷道地质构造复杂多变,在采掘过程中将穿过DF7正断层(走向为218°,倾向为128°,倾角为72°,落差约为1.5～1.8m),且在DF7断层内将穿越大约24m左右的断层破碎带;在巷道990m至960m处有一上巷宽下巷窄的无煤区斜穿过12205面;巷道上覆岩层内富含地下水和孔隙水;再加上工程力的扰动和采动影响等因素导致采用的支护方法无法满足矿井安全高效生产的要求,属于典型的复杂围岩环境大断面巷道.212围岩环境破坏点12205面胶带运输巷采用的主要支护形式为锚网索联合支护,在工作面采掘过程中,大部分区域内巷道围岩稳定性控制较好,但在巷道局部区域围岩仍发生了严重的变形破坏.巷道围岩变形破坏主要有以下2个特点:1)呈局域性变形破坏,主要集中在存在复杂围岩环境处或巷道之间的交叉点;2)先顶板离层、下沉、脱落,甚至冒落,继而引发两帮内鼓(片帮)、底鼓等矿压显现.2005年2月-2006年6月,12205面胶带运输巷就发生了3次大的顶板冒落事故,冒高约为4.5～7.1m,见图2,长度最大值已达到15m,严重威胁煤矿的安全生产.从12205面胶带运输巷顶板冒落的现场调研和所收集的有关资料发现,顶板上覆岩层富含地下水、支护形式不耦合和支护参数不合理是导致顶板冒落失稳的主要影响因素.如何防治地下水,调整和优化支护形式及参数是解决12205工作面胶带运输巷顶板冒落失稳的关键.3复杂围岩环境走廊顶板失稳机理分析3.1组合梁表面层动力响应分析由于锚杆对巷道顶部岩层离层的产生起着一定的阻碍作用,增大了岩层间的摩擦力,与锚杆本身的抗剪作用共同阻止岩层间产生相对错动,从而将巷道顶板锚固范围内的各岩层夹紧形成一个较厚的组合梁.这种厚组合岩层在上覆岩层载荷的作用下,其最大弯曲应变和应力都将大大减小,组合梁的挠度也减小,且组合梁越厚,其最大应力、应变和挠度越小,因此,可认为组合梁是一个强化后的“新岩层”,也叫“小结构”.然后通过锚索的补强加固作用,将“小结构”悬吊到顶板深部稳定岩层中形成“大结构”.对于组合梁,一般是从顶板表面层开始破坏失稳,并逐渐向上扩展.通常位于表面的第1层岩层稳定性最差,最易发生屈曲破坏,1层发生屈曲破坏后与第2层分离;第2层成为表面层,受力状态与第l层相似,如满足屈曲破坏条件将发生屈曲破坏;第3层又成为表面层,如此循环,直到某一岩层不满足屈曲破坏条件为止,因此,顶板下部表面层是影响“小结构”稳定的关键部位.防止顶板岩层发生冒落失稳,须首先保证顶板表面层岩体的稳定,由此可见,研究整个“大结构”的稳定就转为对顶板下部表面层稳定的研究,假设巷道顶板上覆岩层对组合梁表面层施加均布荷载γh的作用,组合梁表面层由两帮稳定煤壁支撑,在均布荷载和锚索(杆)提供的支护强度作用下保持稳定(图3).由于顶板下部表面层是厚度只有1.2m的二煤层,可近似为弹性体的薄板;对于表面层来说,单根锚杆提供的支护强度远小于单根锚索提供的支护强度,可忽略不计;考虑到巷道走向长度远大于巷道跨度,可近似地认为顶板表面层处于平面应变状态.根据弹性力学理论,可将组合梁表面层简化为“简支梁”模型,组合梁表面层以简支梁的形式放置在两帮的煤壁上,中部以两根锚索锚入深部稳定岩石中,见图4.由图4a可知,锚索的作用相当于对组合梁中部增加了2个约束,即增加了2根支撑链杆,形成“二次超静定梁”模型见图4b,由于模型荷载呈对称分布,可取对称半结构进行计算与分析.得δ11=(a2×1+12×L−a2×23)1EI=(L+2a6)1EI,Δ1p=(13×a2×qa24×1+13×L−a2×qa24×34)1EI=(4qa3+3qLa2−3qa396)1EI.δ11=(a2×1+12×L-a2×23)1EΙ=(L+2a6)1EΙ,Δ1p=(13×a2×qa24×1+13×L-a2×qa24×34)1EΙ=(4qa3+3qLa2-3qa396)1EΙ.由一次超静定结构的力法方程X1δ11+Δ1p=0,X1δ11+Δ1p=0,即X1(L+2a6)1EI+(4qa3+3qLa2−3qa396)1EI=0,X1(L+2a6)1EΙ+(4qa3+3qLa2-3qa396)1EΙ=0,得X1=−qa2(a+3L)16(L+2a),X1=-qa2(a+3L)16(L+2a),对D点取矩,得C⋅L−a2+qa2(a+3L)16(L+2a)=qL2×L4=qL28.C⋅L-a2+qa2(a+3L)16(L+2a)=qL2×L4=qL28.式中:δ11为单位力单独作用下B,C点沿X1方向的位移;Δ1p为荷载单独作用下B,C点沿X1方向的位移;X1为多余未知作用力;EI为梁的抗弯刚度,其中E为弹性模量,I为惯性距;q为梁上均布荷载;a为支座B,C间的距离,取2m;L为梁的跨度,为5.6m;由结构力学中力法可以解得支座B,C支撑反力为YB=YC=2qL3+4qL2a−qa3−3qa2L8(L+2a)(L−a),YB=YC=2qL3+4qL2a-qa3-3qa2L8(L+2a)(L-a),式中YB,YC为支座B,C支撑反力.为防止巷道顶板发生冒落(顶)事故,单根锚索必须提供最小支护强度为Fmin=b2⋅YB=b2⋅1.91q=b2⋅1.91γ⋅h,Fmin=b2⋅YB=b2⋅1.91q=b2⋅1.91γ⋅h,式中:Fmin为锚索提供的最小支护强度,kN/m;b为锚索排距,取2.0m;γ为上覆岩层的平均容重,取25kN/m3;h为潜在的冒落高度.综上所述,要使巷道顶板不发生冒落失稳,首先得保证“小结构”(组合梁)的稳定,是主承载结构,因此,锚杆在保证“大、小结构”稳定中始终起主导作用,锚索起着补强加固的作用;当锚索额定锚固强度和单根锚索对顶板提供的支护力小于Fmin时,就可能发生巷道顶板冒落失稳.3.2数值模拟结果为了检验对复杂条件下大断面巷道顶板冒落失稳的力学模型计算所得到的结论是否正确可靠,采用有限差分计算程序FLAC2D对枣泉煤矿12205面胶带运输巷顶板冒落失稳过程进行数值模拟,见图5.数值模拟结果表明,与弹性力学理论分析所得到的结果基本一致.3.31锚杆控制破坏12205面胶带运输巷的主要支护形式为锚网索联合支护,即通过锚杆对巷道顶板锚固范围内的岩层进行“组合梁”加固,通过锚索把下部不稳定岩层悬吊于顶板深部稳定岩层中进行“补强”加固,在顶板整个锚固区域内同时形成“小结构”和“大结构”.在整个支护体系中,锚杆通过与围岩相互作用,起着主导承载作用,锚索起着补强支护作用.由于锚杆杆体采用端锚式锚固,另一端通过托盘和螺母对顶板施加拉应力,利用两端的约束作用而产生工作阻力,其锚固的实效性很大程度上依赖于锚杆两端岩体的稳定性,一旦锚杆两端松动破坏,必然导致锚杆失效.锚杆要充分发挥其作用,必须保证两端的正常作用和杆体不发生屈服或破断,而巷道顶板上覆岩层锚杆控制范围内缺乏坚硬稳定岩层,岩层可锚性较差,使“小结构”失稳;由于锚索与锚杆刚度不同,延伸率不同,锚索的初锚力一般条件下较高,在整个支护过程中,锚索的变形量与顶板下沉量不相匹配,锚杆、锚索始终不能同步承载、共同支护,导致支护初期的荷载集中于锚索,使锚索锚固段发生黏结破坏,锚索被拔出、脱落甚至产生剪切破坏,使“大结构”失稳.12205面胶带运输巷顶板冒落失稳的另一重要原因是顶板上覆岩层富含地下水,面广且分布不均.在巷道支护过程中,锚索穿越隔水层进入含水层后,因锚固端不能完全封闭含水层孔段,致使含水层中的水顺着锚索孔道穿过隔水层进入由锚杆控制的锚固岩层中,见图6.由图6可知,造成锚固区的岩体强度急剧下降,岩石和结构面的摩擦系数和变形模量减小,甚至发生泥化崩解或体积膨胀.最终导致以下两种严重后果:1)由锚杆控制的以炭质泥岩、砂质泥岩为主的岩体产生膨胀变形,锚杆杆体应力急剧增加,使锚杆拉断,锚固段黏结失效;另外,在水和氧气的化学作用下,托盘和金属杆体发生锈蚀,在碎胀力和膨胀力引起的较大拉力作用下,托盘首先压裂,导致顶板岩层对锚杆的约束作用丧失,锚杆、锚杆群锚固失效.以上两种情况均有可能导致“小结构”失稳见图7a.2)地下水沿锚索孔壁下泄,因其冲浸作用使锚索孔壁围岩软化、强度降低,孔径扩大,致使锚索锚固区黏结力减弱,锚索脱落,“大结构”失稳见图7b.在锚杆、锚索先后失效的情况下,围岩自稳能力无法承担上覆岩层的重量,“组合梁”转由两帮支撑,造成巷道顶角剪应力增加,而强度最低的两帮和应力集中程度最高的角部恰恰是巷道支护的最薄弱环节.顶板岩层发生严重离层、弯曲下沉,在巷道的顶角形成剪切力,当剪切力大于岩层的抗剪强度,特别是剪切力大于各垂直节理滑面的摩擦力时,顶板岩层在两帮处或垂直节理滑面处发生剪切破坏.一旦巷道顶角处发生剪切破坏,且向上发育并相交,就会发生顶板切落,造成大面积冒落,见图2.4大断面顶板坍塌损失的预防和处理4.1多介质耦合结构体多介质结构耦合控制技术是根据围岩控制技术的“大、小结构理论”,针对复杂围岩环境条件下围岩应力状态、物理力学性质、变形破坏特征以及相关因素发生系统性改变提出的新的地下工程围岩控制技术.“小结构”是指巷道围岩应力峰值点附近,以塑性硬化区和软化区煤岩体,破碎区锚固岩体、注浆体、锚杆及支架等多介质结构耦合形成的人工结构体,为主承载结构;“大结构”是指“小结构”、将锚索悬吊于顶板深部稳定岩层中的部分岩体及锚索等多介质结构共同耦合形成的承载结构.其关键是通过不同介质间材料性能、结构性能耦合形成一种不同于单一材料或结构的复合支护系统,以该支护系统表现出的多选择性能与复杂围岩环境表现出的复杂受力、变形和移动特征相互耦合,形成“复杂耦合系统”,改造复杂围岩环境的工程特性,从而在安全、合理的前提下,实现对复杂围岩环境地下工程稳定性的有效控制,正在成为解决复杂围岩环境井巷工程(地下工程)支护问题的一条新途径.4.21顶板冒落失稳原因分析由上述分析可知,顶板上覆岩层富含地下水、支护形式不耦合和支护参数不合理是造成枣泉煤矿12205工作面胶带运输巷顶板冒落失稳的主要原因.根据多介质结构耦合控制技术原理对12205工作面胶带运输巷复杂围岩环境处或巷道之间的交叉点进行重点防治,并取得了比较满意的支护效果和经济效益.具体的防治措施如下:1锚索堵水器设计顶板上覆岩层富含地下水的具体防治措施:①在安装锚索的过程中,增加锚固剂节数来增加锚固端的长度以达到封闭含水层孔段;同时,在隔水层区段内,锚索杆体上安设锚索堵水器(锚索堵水器采用防腐遇水易膨胀高分子材料,其直径与锚索孔径相配,长度约为150～200mm),防止水沿锚索孔下泄,增强了锚索的可锚性.②采用注浆加固的方法对破碎带、断层及裂隙发育区域进行加固,封堵由裂隙所形成的“导水通道”,防治地下水对顶板岩体的侵蚀,提高顶板围岩强度.2支护方案设计通过现场试验、实验室物理模拟和数值分析的方法不断调整和优化支护形式与支护参数.为使各种介质结构间达到相互耦合,形成一个复杂耦合系统,对原支护形式进行以下的调整:①调整锚索支护强度和增加锚索系统的延伸率,实现锚杆、锚索在整个支护过程中同步承载、共同支护,防止锚索发生突然破断;②增设注浆锚杆加固围岩,由原来的端锚改为全长锚固或加长锚固,提高围岩强度及自承能力,加强锚杆与围岩的锚固作用;③锚杆和锚索托盘上加设木托盘,并采用工字钢作为锚索托梁,紧固端头用锁具锁固,以增强锚索(杆)对巷道顶板的稳定性控制.④金属网外加铺钢筋梯和架设钢棚,以增加支撑顶部岩层和围岩成拱作用.5巷道顶板冒落失稳原因分析1)复杂条件下大断面巷道顶板稳定性控制过程中,锚杆在保证“大、小结构”稳定中始终起主导作用,锚索起着补强加固“大结构”的作用;当锚索额定锚固强度和单根锚索对