多軟弱夾層的巷道頂板穩定特性及支護設計分析

方珍珠

摘 要：只有在多層軟弱夾層的條件下對巷道內部的復合頂板力學模型進行有效地分析，并有效地分析內部的結構特征和離層破壞的機理。才能夠以其他類型的基本原理為基礎提出以巷道頂板錨固支護參數為基礎的計算方法。從研究的結果來看，多個軟弱夾層內部的復合頂板都會在實際操作的過程中出現頂板離層的現象，從而使得頂板的剛度有所下降，最終也就會出現頂板破裂和冒落的現象。又因為頂板各層之間的彎曲撓度之間存在差異，所以，通過錨桿就會形成一種頂板的組合，從而使得組合形成一定的強度。因為如果沒有頂板強度的支撐，則很容易因此發生離層的現象，從而使得巖梁的兩端出現彎曲的現象。本文結合多軟弱夾層的巷道頂板穩定特性對其支護設計進行分析。

關鍵詞：多軟弱夾層；巷道頂板；穩定特性；支護設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.059

0 引言

雖然我國煤炭資源的儲備量非常豐富，但是，在煤炭資源開采的過程中會出現諸多困難和挑戰。與煤炭資源相關的存賦條件會使得煤炭開采的過程中出現頂板坍塌的事故。我國在2007年-2014年的幾年時間內就出現多起因為頂板問題而引發的事故，占據總事故的60%，造成了約30.28%。為了能夠有效地預防多軟弱夾層巷道頂板安全事故的發生，有效地研究頂板的特性，并在之后對其支護設計進行分析顯得尤為必要。

1 含數層軟弱夾層的復合頂板結構的破壞特征

多數層數的堅硬的復合頂板在頂板區域的內部有多個軟弱的夾層。間隔的夾層存在于頂板之間各個堅硬的巖層中間。巷道一旦被開挖之后，巷道頂板巖層附近會形成兩端固定支梁的結構。在荷載力的作用下，頂板會因此發生彎曲。又因為各個巖層內部的力學性質會不同，各個巖層的彎曲和下沉的量也會不同，從而使得巖層容易在之后出現離層的現象[1]。軟弱的夾層位于堅硬的巖層之間，之后會發生被塑性破壞的現象，從而使得堅硬巖層之間的離層之間的距離進一步加大，各個巖層之間也就容易形成單獨的結構，從而使得巖層的抗彎截面系數進一步減小巖梁截面的彎曲正應力也會因此增大。巖層的兩端也會因此產生破壞而最終形成一個簡易的巖梁。

簡支的巖梁在自身載荷作用下，會使得內部的彎矩變得最大。如果一旦內部的彎曲正應力大于巖梁的抗壓強度，那么則很有可能因為被破壞而形成三鉸拱式的結構，最終又會出現失穩垮落的現象。

2 頂板離層的條件

（1）頂板離層的載荷條件。頂板是堅硬的巖層和軟弱的夾層中間存在的交替性的復合形式。在實際分析的過程中，可以通過引用關鍵層的理論來對頂板內部本身的離層條件進行分析，其主要計算的公式如下：

（qn）1=E1H13（p1gh1+p2gh2+…+pnghn）/E1h13+E2h23+…Enhn3） （1）

式子中的（qn）1本身也直接考慮到了n層巖層對第1層的影響，并在之后形成有效的載荷。其中，hi、p1、Ei分別代表各個巖層的厚度、密度和彈性模量。

在計算的過程中，需要依次將頂板內部各個巖層的參數有效地代入，之后再按照從下往上的方式依次進行計算。如果計算的結果中出現了（qn）1>（qn+1）1的情況，則第n層和第n+1層就會因此出現離層。在計算的過程中，一定要按照順序來進行有效地計算，一直到堅硬而穩固的巖層。在有關背景下，上述式子也會出現不成立的現象。

（2）頂板里層的撓度條件。以上述的各個關鍵層為基礎來有效地計算兩端固定支梁與關鍵層有關的撓度。其主要的計算公式如下“

Ymax，i=qiB4/32Eihi3 （2）

算式中的ymax，i表示第i個關鍵層內部的最大撓度。qi則表示第i個關鍵層內部所受到的荷載。從第一個算式中可以求得如下的結果：Ei和hi本身表示同樣的意思。B本身是巷道兩幫失去穩定性之后巷道內部的寬度，本身也屬于最不穩定的巷道寬度。B=a+2b。對b采用如下的取值方式：如果兩幫沒有發生破壞，b=0。如果兩幫在使用的過程中發生破壞，則b=H×cotθ。其中的θ=π/4+φ/2。其中，φ表示巖石內部出現的摩擦角。

3 支護相關形式和參數

（1）錨桿的長度。一般設定錨桿的長度為Lg，主要的計算方式如下：

Lg=Lgl+Lg2+Lg3

從式子中可以看出，錨桿外露的長度為Lgl=0.1-0.16m，Lg2為錨桿的長度。對于含數層軟弱夾層的復合頂板而言，可以定位巷道頂板表面到錨固體上一層巖層下表面之間的距離，并將Lg3作為錨桿錨固本身的長度，并在之后配合拔拉試驗來有效地進行。

（2）錨索的作用形式。如果錨固體本身的強度較低，那么可以設錨索對錨固體單位面積的作用力為Ps。

當錨固體本身的結構就已經比較穩定時，那么就尤其需要采用錨索支護來提高巷道頂板的穩定性。必要時需要根據工程經驗內部的數據來模擬取值。

（3）錨索的長度Ls。錨索長度：

Ls=Ls1+Ls2+Ls3

算式中的Ls1一般被設定為0.2m，式子中的Ls2為錨固體的厚度，式子中的Ls3主要可以由拉拔的試驗確定，注意讓其厚度不小于0.5m。

4 實際案例運用

某山西煤礦工程9#-10#煤層之間的平均厚度為1.93m，內部含有0-2層夾矸。其頂板被設定為典型的含有數層軟弱夾層的堅硬的復合頂板。

整個煤層的9#+10#的南回風大巷內部存在著矩形斷面，并將斷面的尺寸設定為4200mm×2500mm，并在之后采用錨網噴聯合的方式進行支護。頂板巖層中3層的石灰巖主要被設定為關鍵分層。從上往下的載荷分別為19.82kPa、33.86kPa和62.6kPa。經過計算可以知道，各個關鍵層最大的撓度分別被設定為137.43mm、88.53mm和40.00mm[2]。由于整個撓度是呈現從下往上依次減小的趨勢，這進一步說明各個關鍵層之間發生了離層的現象。

5 結束語

本文結合實際的案例主要就多軟弱夾層的巷道頂板穩定特性進行全面地分析，并全面地對有關支護的參數進行全面的分析。只有設定好支護的參數和支護的形式，才能夠讓錨桿支護的過程更加順利地進行。

參考文獻：

[1]岳中文，楊仁樹，閆振東等.復合頂板大斷面煤巷穩定性試驗研究[J].煤炭學報，2015（04）：139-143.

[2]張鎮，康紅普，王金華.煤巷錨桿—錨索支護的預應力協調作用分析[J].煤炭學報，2016（04）：46-53.