煤巷頂板軟弱夾層層位對錨桿支護結構穩定性影響

張 農 ，李桂臣 ，闞甲廣

（1. 中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

1 引 言

國內外煤礦開采實踐表明，煤巷錨桿支護是配合機械化采煤實現高產高效開采的關鍵技術途徑[1－2]。以美國為例，錨桿支護是巷道頂板支護唯一方式，1977年修訂“煤礦健康與安全法案”更將其定為巷道頂板永久支護方式。由于效果好、操作簡單，以至于美國在過去30年中，在錨桿作用機制以及根據特定條件設計不同支護系統方面并沒有做太多的研究（彭賜燈）[3]。但中國60%以上煤巷為III類及以下更復雜的圍巖條件，煤層頂板多是由強度低、分層厚度小、層間黏結差的多層薄層狀巖層組成，在采動應力作用下穩定性差，冒頂事故時有發生，很難參照開采條件相對簡單的美、澳等國實施錨桿支護[2,4－6]。如何結合實際研發適合中國復雜工程地質條件下的煤巷錨桿支護是“九五”以來煤礦確定的最重要技術攻關方向之一，其中，含軟弱夾層頂板煤巷如何采用錨桿支護是需要重點研究的技術難題。以安徽兩淮礦區為例，多數煤巷屬于IV、V類條件，主采煤層頂板多含有軟弱夾層，影響掘進施工安全和支護方式的選擇，棚式支護一直占有相當的比例，50%以上的巷道不得不采用U型鋼可縮支架支護，嚴重制約著礦區綜采工作面的高效快速推進和經濟效益的提高。國內外許多學者結合工程應用研究取得了大量成果，樊克恭[7]研究了巷道圍巖弱結構破壞失穩過程，提出了非均稱控制機制。康紅普[5]指出，錨桿支護主要作用在于控制錨固區圍巖的離層、滑動、張開裂隙等擴容變形與破壞。張志強等[8]研究了軟弱夾層的分布部位、分布距離、厚度對圍巖穩定性的影響。楊為民等[9]認為，軟弱夾層變形破壞與其本身工程特性、地下水的參與、地應力狀態改變密切相關，對巷道錨噴支護十分不利。周維垣[10]認為，地下洞室圍巖體失穩的決定因素在于巖體中的結構面，它直接制約著工程巖體變形、破壞的發生和發展過程。這種因頂板含軟弱夾層導致安全可靠性差、無法使用錨桿支護的現象在我國煤礦普遍存在。

2 軟弱夾層頂板采動失穩的物理模擬

軟弱夾層是煤層復合頂板的一部分，頂板巖體內存在的層狀或帶狀軟弱薄層，是層狀巖體中一種特殊成層結構，包含巖體結構中的軟弱結構面、裂隙破碎帶、軟弱夾層、破碎夾層和泥化夾層。

物理模擬實驗在中國礦業大學自行研制的真 3軸巷道模擬試驗臺上完成，整個試驗共設計和制作了3個模型。3個模型分別將軟弱夾層的位置布置在錨桿錨固區內、錨桿錨固區邊緣以及錨固區內外同時布置兩層軟弱夾層(一層在錨固區內，一層遠離錨固區)，鉛絲模擬錨桿支護，利用強力黏結劑進行黏結錨固，觀察巷道在應力加載中的破壞過程及最終狀態，測量頂板離層值，分析在不同應力條件下頂板離層及巷道失穩垮冒情況[11]。

試驗中在常規材料配比上加入 3%鋸末模擬軟弱夾層，并采用顆粒較大的云母粉作層間間隔物，制作成近似泥巖或薄層煤線的軟弱夾層。應力加載方案：當巷道圍巖加載應力小于圍巖原巖應力時，水平應力與垂直應力以相同值同時進行加載；當加載應力大于圍巖1倍原巖應力但小于3倍原巖應力時，水平應力按垂直應力0.5倍進行加載，且是先加垂直應力后加水平應力且持續加大水平應力；當加載應力大于3倍原巖應力時，水平應力與垂直應力以相同值同時進行加載，直至巷道發生離層垮冒失穩破壞。

2.1 軟弱夾層位于錨桿錨固區內

頂板條件如圖1所示，其中，軟弱夾層下部巖層為泥巖，上部巖層為砂巖，再上部為泥巖，該條件下軟弱夾層未出現明顯離層，巷道保持了較高的穩定性，最終巷道破壞情況如圖2所示。

圖1 軟弱夾層位于錨桿錨固區內Fig.1 Soft interlayer located inside the bolted zone

圖2 3倍σ1應力狀態時巷道狀況Fig.2 Roadway failure under 3σ1 stress

2.2 軟弱夾層位于錨桿錨固區邊緣

頂板條件如圖3所示，軟弱夾層下部巖層為泥巖，上部巖層為泥巖，再上部為砂巖，這種條件下錨固區邊緣巖體層面間發生明顯破壞，軟弱夾層及其下部錨固體與上部巖體發生脫離，無法阻止離層垮冒的發生，最終巷道破壞及頂板離層情況如圖4、5所示。

圖3 軟弱夾層位于錨桿錨固區邊緣Fig.3 Soft interlayer located at the edge of the bolted zone

圖4 3倍σ1應力狀態下巷道離層及垮冒情況Fig.4 Roadway separation and collapse under 3σ1 stress

圖5 加載過程中頂板離層曲線Fig.5 Roof bedding separation curves under loading

2.3 軟弱夾層位于錨桿錨固區外

頂板條件如圖6所示，錨桿錨固區內軟弱夾層下部為泥巖，上部為砂巖，錨固區外軟弱夾層上部與下部均為泥巖。這種條件下軟弱夾層發生破壞，出現明顯的離層，但頂板錨固區整體穩定性較好，只是顯現大范圍下沉，一般不會垮冒。最終巷道破壞與頂板離層情況如圖7、8所示。

圖6 軟弱夾層位于錨桿錨固區外Fig.6 Soft band located outside the bolted zone

圖7 3σ1應力狀態下巷道圍巖狀態圖Fig.7 Roadway surrounding rock under 3σ1 stress

圖8 巷道頂板離層曲線Fig.8 Roof bedding separation curves

2.4 試驗結果

（1）軟弱夾層位于頂板錨桿錨固區內、錨固區邊緣、錨固區外不同位置時，原巖應力作用下巷道能夠保持較高穩定性，軟弱夾層處離層并不明顯，巷道一般只發生片幫和明顯掉頂現象。

（2）圍巖應力達到2～3倍原巖應力時，軟弱夾層位于錨桿錨固區內巷道下沉和片幫明顯，但未失穩垮冒；軟弱夾層位于錨桿錨固區邊緣巷道兩幫變形和底鼓嚴重，離層值非常大，應力繼續增高時，巷道很快失穩垮冒，且錨桿被拉斷；軟弱夾層位于錨桿錨固區外時，軟弱夾層離層明顯，應力持續增高時巷道變形嚴重，直接頂很快失穩垮冒，較多錨桿被拉斷。軟弱夾層位于錨桿錨固區邊緣巷道最易失穩垮冒。

（3）垂直應力不變，水平應力增大過程中巷道表面位移與軟弱夾層處離層值明顯加大，巷道片幫嚴重并逐漸垮落，直接頂與軟弱夾層處巖體發生明顯剪切破壞。

3 軟弱夾層巷道圍巖強化控制原理

針對結構復雜的軟弱夾層頂板提出煤巷圍巖預應力控制技術原理，具體包括錨桿支護承載性能強化、巷道破裂圍巖體強度強化和圍巖承載結構強化。

3.1 錨桿承載性能強化

煤巷錨桿支護技術的迅速發展，已經不再單純強調錨桿的強度，強化錨桿支護的綜合承載特性受到更多地關注，其本質是促使錨桿支護特性曲線具有及時早強速增阻的特性，以充分利用支護材料、機具和裝備的進步成果，如圖9所示。支護滯后常常產生松動變形，通過及時安裝高預拉力錨桿提供初期的支護阻力消除掘巷煤巖體松動變形，通過高剛度護表材料及錨桿附件，促使錨桿在后續圍巖變形過程中實現高增荷特性，很快達到較高工作載荷，限制后續圍巖變形，錨桿工作荷載如圖中曲線4所示，實現了及時、高初錨力、高增荷特性，進而達到高工作荷載，可控制巷道在掘進期間變形；高強錨桿工作荷載如圖中曲線3所示，錨桿施工安裝時間滯后一些，增荷速度低一些，最終形成的工作荷載也有降低，掘巷期間圍巖變形就大一些，這是目前支護實踐中常見現象；傳統支護工作荷載如圖中曲線2所示，支護在圍巖充分松動變形以前不起作用，壁后很空、和圍巖接觸不好的U型鋼支護類似這種狀況，掘巷期間圍巖變形很大，采動時頂板松動、離層，巷道變形嚴重。

圖9 支護阻力與圍巖變形關系圖Fig.9 Boltload deflection characteristics

研究表明：煤巷錨桿支護錨桿對圍巖的初始支護強度應達到0.3 MPa，松散變形才比較小[12－15]。為實現復雜困難條件巷道的長期維護，圖中曲線 5工作特性曲線是技術、材料和裝備發展方向，即以高強錨桿為基礎、以高預拉力為核心、以系統高剛度為關鍵的“三高”錨桿支護才能實現高效控制巷道圍巖變形的目標。

3.2 破裂圍巖體強度強化

在高地應力作用下，開掘導致的應力狀態轉化過程中(由三維向二維轉化)巷道低強度巖體大范圍破壞，同時巷道軸向約束并未因開挖而產生較大改變，這就導致了破裂巖體向巷內自由面變形，破裂后圍巖主要受結構面控制，表現為沿結構面向低約束方向的滑移，因此，巷道易發生頂幫冒落和底鼓。另一方面破裂巖體在低圍壓下強度低、變形大，對深部圍巖的約束壓力也較小，高地應力或動壓作用下深部巖體進一步破壞，形成漸進破壞的動態循環，變形持續擴大，因而破裂巖體性質決定了高地應力軟巖巷道的大變形特征。

只有對淺部低圍壓破裂巖體進行有效加固，才能提高巷道圍巖的承載能力，控制圍巖變形。通常采用錨桿和注漿兩種加固方式。

（1）錨桿加固。在巷道周邊低圍壓條件下，巖體強度隨圍壓的逐步增大而呈急劇增長趨勢，所以，要想提高破碎巖體承載強度，就必須增大其圍壓。相對被動作用的U型棚支護，預拉力錨桿支護就是早期快速增大圍壓的最有效方式。及時安裝高預拉力錨桿改善了破裂巖體的應力狀態，其承載性能明顯增強；從結構面剪切破壞角度分析，錨桿構件具有抗剪阻滑的作用，直接提高了巖體強度；從防止脆性斷裂出發，錨桿具有降低裂隙間應力強度因子阻礙裂隙擴展的作用。

（2）注漿加固。破裂巖石表現出明顯的結構效應，在滑移變形過程中破裂巖石產生顯著的剪脹現象，隨時間延續表現為強烈的體積膨脹。注漿固結體較破裂巖體強度和抗變形性能明顯提高，因此，在掘巷導致的圍巖破裂圈基本形成后，對其進行注漿加固，可以大大提高圍巖承載力，改善圍巖穩定性，同時注漿固結體良好的適應變形的能力，使其在相當大的變形范圍內保持承載能力，實踐表明，適時滯后注漿控制圍巖效果顯著[16]。

3.3 巷道圍巖結構的強化

深井高地應力區開挖巷道，在采動應力場、濕度應力場和巖體層狀結構的共同作用下，圍巖由整體性壓縮向局部擴張轉化，直到支護圍巖承載結構實現新的動態平衡，這些局部性擴張轉化的區域就是關鍵承載區，即由于賦存不均勻性、大傾角導致高低幫的不對稱性、軟弱夾層、兩幫煤體、巷道四角等。在這些關鍵承載區巖體變形破裂的動態變化過程中，促成支護圍巖整體承載結構的形成或強化，以多層次的聯合支護來實現支護體和圍巖間的主動和動態的相互作用，通過針對性補強減弱或控制關鍵區域的松動變形破壞，維護巷道圍巖的整體承載性能。

基于這一原理，提出針對含軟弱夾層頂板煤巷的強化控制方案及對策，見表1。

表1 軟弱夾層層位及對應強化控制對策Table 1 Selection of enhanced supporting scheme

4 軟弱夾層頂板巷道的安全分級及方案確定

4.1 軟弱夾層頂板巷道的安全分級

在含軟弱夾層頂板巷道失穩特征分析基礎上，提出軟弱夾層頂板巷道的安全分級。首先提出軟弱夾層頂板巷道安全因子概念AQ，以反映軟弱夾層頂板巷道的安全系數[11]。影響軟弱夾層頂板巷道離層垮冒的因素較多，初步確定了軟弱夾層層位、受水影響與否、巷道受應力環境影響(動壓影響)、軟弱夾層巖性、厚度、與周圍巖體相對強度、凝聚力、抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度等10個因素，采用層次分析法，將各影響因素進行了比較值的分配，建立了判斷矩陣，利用矩陣的n次方根法求得了特征向量及具體影響因子，經過計算求得安全影響因子 AQ值的最大值和最小值分別為Bmax=0.722 1，Bmin=0.085 1，AQ取整最小值為0.08，最大值為0.73，即得到了安全影響因子的影響區間(0.08，0.73)，由于權值的分配做了充分的比較，因而將得到安全區間進行了平均分配，得到了軟弱夾層頂板巷道的影響因素的安全分級為5級，具體如表2所示。

表2 軟弱夾層巷道頂板安全分級Table 2 Safety classification of roof with soft interlayer

4.2 方案確定

在支護設計中，單靠人工對這些因素的直接綜合作用結果進行計算分析是十分復雜和繁瑣的。為了簡化這一過程，實現軟弱夾層頂板巷道支護方案的高效率設計，開發了“軟弱夾層頂板巷道安全等級判定及加強支護方案”軟件。

程序設計總體思路：對現場采集到的頂板具體巖性的數據進行處理分析，輸入程序后得到對應頂板條件的安全因子，從而判定頂板安全等級；再利用結合具體的巖性及地質條件形成的支護方案和參數選擇數據庫，輸出一個最佳支護方案和強化控制對策，如圖10所示。

圖10 軟弱夾層頂板巷道安全等級判定程序設計流程圖Fig.10 Flow chart of roof safety classification

5 成果應用

課題組經過6年聯合攻關，完成了軟弱夾層頂板巷道圍巖強化支護理論、成套超高強(錨桿)支護技術、新型支護材料研制、各類別工業性試驗及推廣應用、技術管理規范、企業標準等內容的研究。研究成果已在淮南礦業集團、淮北礦業集團成功應用達350 000余米，節約支護成本超過150 000萬元，技術經濟效益顯著，如表3所示。目前，項目所取得的技術成果正以10 000 m左右的月進尺在兩礦區推廣應用。上述研究成果豐富了頂板控制理論，顯著提高了兩淮礦區煤巷頂板控制技術水平。

表3 淮南、淮北礦區煤巷錨桿支護統計表Table 3 Bolting statistics in Huainan and Huaibei mining area

6 結 論

（1）研究了軟弱夾層在頂板不同位置、不同應力環境特別是動壓作用下離層垮冒的影響規律，高水平應力使軟弱夾層巖體及下位巖體發生剪切破壞進而離層垮冒，動壓作用影響下巷道則因頂板結構的整體失穩而垮冒。

（2）形成了包括錨桿支護承載性能強化、巷道破裂圍巖體強度強化和圍巖承載結構強化的煤巷圍巖預應力強化控制技術原理與控制對策。

（3）提出了軟弱夾層頂板巷道安全因子 AQ的概念，以反映軟弱夾層頂板的安全等級(非常危險、危險、相對安全、較安全、安全)，并利用計算機程序進行了安全分級并成功指導與應用于工程實踐取得良好結果。

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