蔣力帥,馬念杰,白 浪,李育吉,張 磊

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

巷道復(fù)合頂板變形破壞特征與冒頂隱患分級

蔣力帥,馬念杰,白 浪,李育吉,張 磊

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

煤層頂板巖性復(fù)合及分層厚度變化大,穩(wěn)定性差異顯著。針對巷道層狀復(fù)合頂板條件,采用現(xiàn)場探測、數(shù)值模擬、理論分析等方法,研究了頂板巖層結(jié)構(gòu)分類、頂板變形破壞特征與平衡結(jié)構(gòu)及冒頂隱患評價。研究表明:巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)可分為堅硬巖層、軟弱巖層、下軟上硬、下硬上軟、軟硬漸進(jìn)、硬軟相間及軟硬相間等7個類型。對于較差的頂板巖層結(jié)構(gòu),在層面和節(jié)理影響下,巷道頂板下位分層形成離層、隨動穩(wěn)定狀態(tài)的鉸接巖塊結(jié)構(gòu)及亞穩(wěn)定狀態(tài)的裂隙彎曲結(jié)構(gòu),其范圍和承載能力與頂板巖層結(jié)構(gòu)類型有關(guān),頂板變形和錨索延伸量呈現(xiàn)不協(xié)調(diào)性。采用錨索是否破斷失效作為分級指標(biāo),建立了冒頂隱患的分級方案,劃分了典型頂板巖層結(jié)構(gòu)的隱患等級,對3個級別的冒頂隱患進(jìn)行了安全評估。

煤巷;頂板結(jié)構(gòu)類型;平衡結(jié)構(gòu);錨索延伸量;冒頂隱患分級

我國煤礦每年掘進(jìn)巷道總長度達(dá)數(shù)萬千米,由于煤礦巷道處于強(qiáng)度較低的沉積地層中,圍巖一般是由多種巖體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致巷道所處的地層條件復(fù)雜多樣,圍巖性質(zhì)千差萬別,巷道頂板條件具有復(fù)雜性和多元性,甚至一條巷道的頂板巖層條件都會發(fā)生較大變化,且多數(shù)巷道在服務(wù)年限內(nèi)還會受到采動影響。因此,巷道頂板巖層類型、穩(wěn)定性、破壞特征及其冒頂隱患的差異很大。研究巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型及破壞特征,分析可能存在的冒頂隱患,是進(jìn)行巷道冒頂隱患分級、頂板穩(wěn)定分區(qū)及實施不同支護(hù)方案的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合層狀頂板穩(wěn)定性及冒頂隱患分析做了一些研究,Sofianos A.I.[1-2]和林崇德等[3-4]采用離散元方法研究了錨桿支護(hù)層狀頂板的穩(wěn)定性和變形破壞過程;賈蓬等[5]運用RFPA分析了同一巖性層狀頂板巷道圍巖變形破壞與厚跨比及側(cè)壓的關(guān)系;岳中文等[6]進(jìn)行了煤巷復(fù)合頂板穩(wěn)定性的模型試驗;劉洪濤等[7]采用穩(wěn)定巖層高度進(jìn)行巷道冒頂高風(fēng)險區(qū)域識別。

針對巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)、變形破壞及支護(hù)狀態(tài)的多樣性與復(fù)雜性,以大量現(xiàn)場檢測資料為依據(jù),研究了巷道復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的分類。采用離散元數(shù)值模擬方法,研究了典型頂板巖層結(jié)構(gòu)的變形破壞特征和錨索支護(hù)狀態(tài);以錨索變形狀態(tài)進(jìn)行復(fù)合頂板冒頂隱患的分級,并對不同隱患進(jìn)行了支護(hù)安全性評估,為根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)類型識別高冒頂隱患區(qū)域、優(yōu)化支護(hù)方式、防治冒頂提供了依據(jù)。

1 巷道復(fù)合頂板的結(jié)構(gòu)類型

1.1 巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)探測

煤系地層多為沉積形成的層狀巖體,由于受沉積環(huán)境控制,沉積巖性、巖相及其組合特征各異,在垂向上巖性、巖相旋回變化,在側(cè)向上發(fā)生增厚、變薄甚至尖滅,從而決定了頂板巖層復(fù)合形式及力學(xué)性質(zhì)在空間上表現(xiàn)出明顯的差異性[8]。

通過對河南趙固、山西保德、遼寧沈北等礦區(qū)的多條復(fù)合層狀頂板巷道進(jìn)行調(diào)研,采用鉆孔窺視儀進(jìn)行巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)探測,繪制沿巷道走向的頂板巖層剖面圖。趙固一礦21煤層11031工作面2條回采巷道為典型的復(fù)合層狀頂板巷道,兩幫煤體強(qiáng)度高,幫部破壞較少,但頂板條件復(fù)雜,如圖1所示?？梢娤锏理敯鍘r性主要包括軟弱泥巖、中等強(qiáng)度的砂質(zhì)泥巖和少量較堅硬的砂巖,同一條巷道的頂板巖性及厚度變化大,頂板巖層的組合類型多。

圖1 11031回采巷道頂板觀測區(qū)域巖層剖面Fig.1 Roof profile of gateways inmining area11031

由此可見,由于成煤環(huán)境的變化和長時間的地質(zhì)變遷等原因,不僅在長度達(dá)到上千米的回采巷道內(nèi),煤層復(fù)合頂板巖性組合及其分層厚度等會發(fā)生變化,甚至在巷道走向幾十米的范圍內(nèi)也會出現(xiàn)不同的復(fù)合層狀頂板結(jié)構(gòu),其頂板穩(wěn)定性的差異較大。

1.2 巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)的分類

根據(jù)巷道巖層結(jié)構(gòu)探測得到的有關(guān)鉆孔柱狀及其組合形式,對錨桿錨索支護(hù)范圍內(nèi)的頂板巖層,可將巷道復(fù)合層狀頂板分為7個主要結(jié)構(gòu)類型:①由砂巖組成的堅硬巖層型;②由泥巖、砂質(zhì)泥巖或頂煤組成的軟弱巖層型;③,④從頂板淺部到深部由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成的下硬上軟型及硬軟相間型;⑤,⑥由泥巖或頂煤、砂巖組成的下軟上硬型及軟硬相間型;⑦由泥巖或頂煤、砂質(zhì)泥巖、砂巖組成的軟硬漸進(jìn)型,如圖2所示。

圖2 巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型Fig.2 Rock structure types of roadways roof

2 巷道復(fù)合頂板的變形破壞特征

2.1 數(shù)值模型及運算參數(shù)

煤礦巷道頂板為層狀結(jié)構(gòu),經(jīng)歷構(gòu)造運動后發(fā)育著一定的裂隙,由層面及裂隙切割成塊體結(jié)構(gòu),在礦山壓力作用下,巷道頂板淺部的層面與裂隙效應(yīng)比較明顯,具有不連續(xù)性特征[9]。離散元法是一種處理節(jié)理巖體的數(shù)值方法,允許塊體產(chǎn)生有限位移和旋轉(zhuǎn),塊體間能夠完全分離,可模擬工程巖體的非連續(xù)變形和大變形。因此,采用UDEC數(shù)值模擬軟件,分析巷道層狀頂板的變形破壞特征。

根據(jù)復(fù)合層狀頂板巖層結(jié)構(gòu)分類,堅硬巖層型、硬軟相間型和堅硬分層厚度較大的下硬上軟型頂板變形以彎曲離層為主,主要出現(xiàn)彎曲變形引起的豎向裂隙。即使砂巖分層層理發(fā)育,錨桿支護(hù)的組合梁效應(yīng)將控制頂板變形。這3類頂板的穩(wěn)定性較好,除受節(jié)理或斷層弱面切割影響外,一般不存在冒頂隱患。軟弱巖層型、下軟上硬型、軟硬相間型、軟硬漸進(jìn)型及薄硬厚軟型(下分層厚度較小的下硬上軟型)等5種結(jié)構(gòu)類型,頂板穩(wěn)定性較差,針對這些類型進(jìn)行數(shù)值模擬,分析巷道不同頂板結(jié)構(gòu)類型的變形破壞特征。

模型高50 m,寬60 m,煤層巷道埋深600 m,寬4 m,高3 m。采用先加載后開挖的模擬方式,模型上邊界和左右邊界分別施加垂直和水平應(yīng)力15 MPa,左右邊界為水平位移約束,下邊界為垂直位移約束。巖體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,節(jié)理和層理面采用Coulomb滑移準(zhǔn)則。5種頂板巖層結(jié)構(gòu)的巖性組成見表1,模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示,巖層及其巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 復(fù)合頂板巖性組成Table 1 Lithological combination of compound roof

圖3 模型建立及網(wǎng)格劃分Fig.3 Model andmesh generation

表2 模型巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock p roperties of model

2.2 復(fù)合層狀頂板變形破壞特征分析

5種頂板結(jié)構(gòu)的巷道頂板變形破壞及塑性區(qū)分布如圖4所示。由圖3通過觀察對比可見:

(1)復(fù)合頂板的破壞特征。如圖4(a)～(c)所示,軟弱巖層型、下軟上硬型和軟硬相間型的頂板下部均為軟弱泥巖,在高圍巖應(yīng)力作用下,受頂板層狀特征和節(jié)理切割效應(yīng)的影響,圍巖應(yīng)力超過了泥巖強(qiáng)度,頂板下部的數(shù)個泥巖分層發(fā)生了嚴(yán)重的塑性及拉伸破壞,巷道頂板變形非常劇烈,并導(dǎo)致失穩(wěn)冒落。如圖4(d)所示,軟硬漸進(jìn)型因為上部巖層具有較強(qiáng)的承載能力及自穩(wěn)能力,下部軟弱巖層所承受的荷載較小,并未發(fā)生失穩(wěn)冒落。如圖4(e)所示,薄硬厚軟型頂板雖然直接頂為薄層堅硬砂巖且未發(fā)生冒落,但上部軟弱泥巖層強(qiáng)度低,不能形成有效的承載結(jié)構(gòu),

圖4 復(fù)合頂板變形破壞特征Fig.4 Deformation and failure character of compound roof

致使作用在薄層砂巖直接頂上的載荷較大,盡管下部堅硬砂巖層形成了承載結(jié)構(gòu),但跨中處的巖塊沿節(jié)理面發(fā)生了豎向滑移。

(2)頂板平衡結(jié)構(gòu)。隨著頂板部分巖塊的冒落和兩幫煤體的受壓變形,頂板各分層發(fā)生了彎曲下沉,兩幫上方的頂板巖體向巷道空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。上部頂板巖塊在圍巖應(yīng)力作用下發(fā)生了塑性變形,由一個或多個頂板分層形成了鉸接巖塊結(jié)構(gòu)及裂隙彎曲結(jié)構(gòu)。下部鉸接巖塊結(jié)構(gòu)處于準(zhǔn)平衡、隨動穩(wěn)定狀態(tài),其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與水平應(yīng)力、頂板厚跨比等因素有關(guān),隨著采動影響的加大,可能發(fā)生失穩(wěn)冒落。上部裂隙彎曲結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)定狀態(tài),具有一定自承載能力,隨著采動影響的加大,可能轉(zhuǎn)化為鉸接巖塊結(jié)構(gòu)。裂隙彎曲結(jié)構(gòu)對上覆巖層的垂直載荷起到彎曲承載、變形卸壓、阻斷傳遞的作用。盡管頂板巖性組合不同,5類頂板結(jié)構(gòu)都形成了下部鉸接巖塊結(jié)構(gòu)及上部裂隙彎曲結(jié)構(gòu),以裂隙彎曲結(jié)構(gòu)作為頂板主要承載體進(jìn)入亞平衡狀態(tài),不同頂板結(jié)構(gòu)所形成的鉸接結(jié)構(gòu)及裂隙彎曲結(jié)構(gòu)的位置和范圍不同。

(3)頂板離層變形。如圖4(b)～(d)所示,3種頂板結(jié)構(gòu)在軟硬巖層分界處均發(fā)生了明顯的不同程度的離層現(xiàn)象。離層形成的原因有幾個方面:①煤系地層的層狀特征在沉積和地質(zhì)變動過程中就已形成,各個層理面膠結(jié)程度低、力學(xué)性能差,是天然的力學(xué)弱面;②巷道開挖引起圍巖應(yīng)力的重新分布和向巷道空間內(nèi)的位移,不同巖層之間產(chǎn)生層間彎曲撓度的差異,沿巖性分界面滑動、張開,且在圍巖應(yīng)力的作用下進(jìn)一步擴(kuò)大;③鉸接結(jié)構(gòu)的跨中鉸接點高于兩端鉸接點,擠壓鉸接結(jié)構(gòu)發(fā)生了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動,與上部裂隙彎曲結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生了顯著的離層現(xiàn)象。

(4)兩幫和底板變形。受高垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的影響,兩幫煤體內(nèi)應(yīng)力集中,塑性變形嚴(yán)重,兩幫最大移近量約為1 m,不同頂板巖層結(jié)構(gòu)對兩幫的變形并無明顯影響;底板由巖性較好的砂質(zhì)泥巖構(gòu)成,塑性變形不顯著,底板鼓起約50 mm。對比發(fā)現(xiàn),在不同頂板結(jié)構(gòu)下并沒有引起巷道兩幫和底板變形破壞的顯著差異。

3 巷道復(fù)合頂板的冒頂隱患分級

3.1 巷道復(fù)合頂板及支護(hù)狀態(tài)的不協(xié)調(diào)性

巷道層狀復(fù)合頂板需采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù),以錨桿及時支護(hù)巷道周圍淺部圍巖,提高圍巖自承載能力,預(yù)應(yīng)力錨索在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高支護(hù)強(qiáng)度,并將超過錨固范圍的頂板松動區(qū)巖石懸吊在穩(wěn)定巖石中[10-12]。經(jīng)過大量現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),在高地應(yīng)力、圍巖軟弱破碎、頂板巖性復(fù)合等圍巖劣化條件下,錨索的破斷失效非常突出,大大降低支護(hù)效果,形成冒頂隱患。

為分析巷道不同頂板結(jié)構(gòu)的錨桿-錨索支護(hù)效果,在數(shù)值模型加載達(dá)到初始平衡后,開挖并立即支護(hù),支護(hù)后進(jìn)行迭代運算。參考趙固一礦、二礦21煤層回采巷道支護(hù)形式,模型巷道斷面支護(hù)形式及參數(shù)如圖5及表3所示。

圖5 模型支護(hù)斷面Fig.5 Sectional drawing ofmodel support

表3 錨桿-錨索支護(hù)參數(shù)Table 3 Bolt-cable suppor t parameters

在巷道跨中及一側(cè)沿錨索軸向布置長8 m的位移觀測線,記錄錨索部位發(fā)生的豎向位移,分析不同部位頂板位移及錨索變形的不協(xié)調(diào)性。

模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,5種頂板結(jié)構(gòu)的錨索的豎向位移如圖6所示。錨桿與錨索端部采用樹脂錨固劑,尾部托盤固定,排除錨索端部錨固被拉出及托盤失效索體被拉入巖體所造成的錨索失效,錨索的軸向位移即為錨索各段發(fā)生的位移,尾部與自由段端部的位移之差即為錨索的延伸量,頂板位移及錨索延伸量的特征值見表4。

圖6 頂板錨索位移監(jiān)測曲線Fig.6 Monitoring curves of roof cable displacement

表4 不同頂板巖層結(jié)構(gòu)位移量及錨索延伸量Table 4 Disp lacement and cable extension of different kinds of roof strata

由此可見,不同頂板結(jié)構(gòu)條件下,巷道頂板的位移及錨索自由段延伸量有著明顯的差異,巷道頂板巖層的結(jié)構(gòu)類型對支護(hù)效果、頂板穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)有很大的影響。對于頂板表面下沉量、深部位移量及錨索變形量,軟弱巖層型最大,薄硬厚軟型次之,其他3類相對較小。

巷道大變形頂板的變形和錨索延伸量呈現(xiàn)明顯的不協(xié)調(diào)狀態(tài)。巷道頂板淺部與深部、中部與邊部的位移量有著很大的差異,頂板的淺部及中部發(fā)生了顯著的豎向位移,頂板中部位移大于兩側(cè),淺部位移大于深部,在中部和側(cè)邊的錨索部位,頂板位移的不協(xié)調(diào)深度分別達(dá)到4,3和2 m?？缰绣^索的自由段延伸量達(dá)到112～210 mm,側(cè)邊錨索的自由段延伸量只有91～151 mm。根據(jù)頂板變形破壞平衡結(jié)構(gòu)分析,頂板中所形成的鉸接結(jié)構(gòu)、裂隙彎曲結(jié)構(gòu)及離層是導(dǎo)致頂板位移與錨索延伸量不協(xié)調(diào)的根本所在。

3.2 復(fù)合層狀頂板冒頂隱患的分級

在復(fù)合層狀頂板條件下,受錨桿長度的限制,錨桿支護(hù)組合拱的承載力不足以承載圍巖施加的載荷,易發(fā)生支護(hù)失效并存在冒頂隱患,進(jìn)而通過錨索的懸吊作用有效地阻止頂板冒頂。但由于錨索受材質(zhì)所限,工程延伸量較小[7,13],在頂板條件差、大變形等復(fù)雜難支護(hù)條件下,當(dāng)圍巖變形達(dá)到錨索的極限變形量時,錨桿-錨索支護(hù)體的承載能力仍小于控制圍巖穩(wěn)定所需的支護(hù)作用力,圍巖繼續(xù)變形破壞從而導(dǎo)致錨索破斷失效,出現(xiàn)冒頂隱患。

因此,通過錨索的延伸量與工程極限延伸量的關(guān)系,可以判斷錨索是否破斷失效。根據(jù)中部、側(cè)邊錨索的支護(hù)狀態(tài),建立冒頂隱患的分級方案,見表5。Ⅰ級冒頂隱患頂板錨索不破斷,Ⅱ級冒頂隱患頂板跨中錨索破斷,Ⅲ級冒頂隱患頂板跨中及邊側(cè)邊錨索破斷。式中,ΔL為錨索工程極限延伸量;L為錨索兩錨固端之間自由段長度;FP為錨索預(yù)緊力;FT為錨索極限破斷載荷;ε為錨索材料延伸率。

表5 復(fù)合頂板冒頂隱患分級Table 5 Roof caving hidden danger classification of com pound roof

根據(jù)表3中模擬計算所使用錨索的參數(shù),可以得到該規(guī)格錨索的工程極限延伸量ΔL=120.96 mm。

通過對比不同頂板巖層結(jié)構(gòu)中錨索延伸量與工程極限延伸量的關(guān)系,劃分典型頂板條件下冒頂隱患的等級,見表5。

3.3 冒頂隱患的分級評估

Ⅰ級冒頂隱患:無錨索破斷失效,冒頂隱患級別最低。該級別頂板當(dāng)前的錨桿-錨索支護(hù)能夠保持圍巖穩(wěn)定,錨桿的使圍巖形成統(tǒng)一自承結(jié)構(gòu)和錨索的懸吊作用得到充分發(fā)揮,當(dāng)巷道掘進(jìn)過斷層或受工作面采動影響等情況時,需加強(qiáng)頂板位移監(jiān)測,根據(jù)需要適時進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

Ⅱ級冒頂隱患:頂板中部錨索破斷失效,兩側(cè)錨索完好,冒頂隱患中等。對于該級頂板應(yīng)先進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),防止中部松動載荷過大造成漏頂,之后可根據(jù)圍巖條件適當(dāng)調(diào)整支護(hù)工藝及參數(shù),使錨桿與錨索的聯(lián)合支護(hù)更協(xié)調(diào)、互補(bǔ),還可采取加木墊板、滯后

預(yù)應(yīng)力錨索的工程極限延伸量為錨索自由段最大延伸量與張拉時產(chǎn)生的延伸量之差,受索體材料質(zhì)量及施工質(zhì)量等工程因素的影響,可以由下式計算:掘進(jìn)工作面安裝錨索、合理布置錨索位置的方法提高錨索對圍巖的適應(yīng)性,并在巷道過斷層、受回采影響期間進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

Ⅲ級冒頂隱患:頂板錨索全部破斷失效,冒頂隱患級別高。錨索的懸吊作用因破斷而徹底喪失,頂板有大面積垮落的危險,且垮落高度高于錨桿支護(hù)范圍。由于當(dāng)前的支護(hù)方式不能與圍巖的大變形條件相適應(yīng),此時只通過加大支護(hù)強(qiáng)度、密度并不是最有效的解決途徑。應(yīng)對圍巖力學(xué)性質(zhì)、巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等進(jìn)行研究,改用延伸量大、可以與圍巖協(xié)調(diào)變形且能保持較高支護(hù)阻力的支護(hù)手段。

3.4 冒頂隱患分級工程應(yīng)用

為驗證該冒頂隱患分級方式的科學(xué)性,將趙固一礦11031采區(qū)運輸巷道450～550 m段和回風(fēng)巷道300～400 m段布置為試驗段,進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

對試驗段內(nèi)巷道頂板進(jìn)行巖層結(jié)構(gòu)探測,以此為基礎(chǔ)劃分頂板結(jié)構(gòu)類型和冒頂隱患等級。對于Ⅰ級頂板采用原錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)方案;對于Ⅱ級頂板采用每排補(bǔ)打兩根錨索的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式;對于Ⅲ級頂板改用大直徑、高延伸率(7%)錨索進(jìn)行支護(hù)。在試驗段內(nèi)頂板各處進(jìn)行圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測,以11031回風(fēng)巷道310 m(Ⅱ級)和400 m(Ⅲ級)兩處頂板表面相對8 m深部的相對位移監(jiān)測為例,曲線如圖7所示。

圖7 頂板相對位移監(jiān)測曲線Fig.7 Monitoring curves of roof relative displacement

由圖7可以看出補(bǔ)強(qiáng)后頂板跨中位置頂板表面相對頂板深部的位移量小于該處支護(hù)物的工程極限延伸量,監(jiān)測期間頂板變形量均在允許范圍內(nèi),錨桿、錨索完好,消除了因錨索破斷失效產(chǎn)生的冒頂隱患。工程應(yīng)用結(jié)果表明,復(fù)合頂板冒頂隱患分級可判別高冒頂隱患區(qū)域并有針對性的對進(jìn)行及時補(bǔ)強(qiáng),降低冒頂事故發(fā)生概率,保證巷道安全。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)探測分析,受成煤環(huán)境變化和長時間地質(zhì)變遷等影響,煤層頂板巖性復(fù)合及其分層厚度等會發(fā)生明顯變化,煤層巷道復(fù)合頂板可以分為堅硬巖層型、軟弱巖層型、下軟上硬型、下硬上軟型、軟硬漸進(jìn)型、硬軟相間型及軟硬相間型等7個結(jié)構(gòu)類型。

(2)對于穩(wěn)定性稍差的5種頂板巖層結(jié)構(gòu),受頂板層狀特征和節(jié)理切割效應(yīng)的影響,巷道頂板下位分層產(chǎn)生離層裂隙,并形成下部準(zhǔn)平衡、隨動穩(wěn)定狀態(tài)的鉸接巖塊結(jié)構(gòu),及上部亞穩(wěn)定狀態(tài)的裂隙彎曲結(jié)構(gòu),以裂隙彎曲結(jié)構(gòu)作為頂板主承載體。頂板變形破壞特征取決于鉸接結(jié)構(gòu)及裂隙彎曲結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)形成,其范圍和承載能力與頂板巖層結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。

(3)巷道頂板位移、錨索延伸量、支護(hù)效果及穩(wěn)定性與頂板巖層結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān),在頂板平衡結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)下,頂板變形和錨索延伸量呈現(xiàn)明顯的不協(xié)調(diào)性。

(4)以錨索是否破斷進(jìn)行冒頂隱患的分級,并劃分典型頂板巖層結(jié)構(gòu)的隱患等級。Ⅰ級冒頂隱患頂板錨索不破斷,如軟硬漸進(jìn)型;Ⅱ級冒頂隱患頂板跨中錨索破斷,如下軟上硬型、軟硬相間型及薄硬厚軟型;Ⅲ級冒頂隱患頂板跨中及邊側(cè)邊錨索破斷,如軟弱巖層型。針對頂板巖層結(jié)構(gòu)類型及冒頂隱患級別,采取相應(yīng)的支護(hù)改進(jìn)措施。

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Deformation and failure characteristics and roof caving hidden danger classification of roadways com pound roof

JIANG Li-shuai,MA Nian-jie,BAILang,LIYu-ji,ZHANG Lei

(School ofResource and Safety Engineering,China University ofMining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

With compound lithological and great variation of stratification thickness,stability of coalmine roof differs significantly.Aiming at layered compound roof,using field detection,numerical simulation,theoretical analysis,strata structure classification,deformation and characteristics,balanced structure and caving hidden danger of roofwere studied.The study results show that the strata structure of roadway compound roof can be classified into seven types:hard strata,soft strata,lower-softupper-hard,lower-hard upper-soft,soft-hard progress,soft-hard alternation and hard-soft alternation.Under the effect of stratification and joint,the lower layers of poor strata roof form separation,stochastic stable hinged rock structure and metastable fracture bending structure,and its scope and bearing capacity is related to roof structure classification,roof deformation and cable extension presents incoordination.Taking cable status as classifying index,the classification scheme of roof caving hidden danger was established,classified hidden grade of typical roof strata structure,safety assessmentwas carried out.

coalmine roadway;roof structure type;balance structure;cable extension;hidden danger classification

TD322

A

0253-9993(2014)07-1205-07

蔣力帥,馬念杰,白 浪,等.巷道復(fù)合頂板變形破壞特征與冒頂隱患分級[J].煤炭學(xué)報,2014,39(7):1205-1211.

10.13225/ j.cnki.jccs.2013.1219

Jiang Lishuai,Ma Nianjie,Bai Lang,et al.Deformation and failure characteristics and roof caving hidden danger classification of roadways compound roof[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1205-1211.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1219

2013-08-27 責(zé)任編輯:常 琛

國家自然科學(xué)基金資助項目(51234005,51204187)

蔣力帥(1989—),男,江蘇如東人,博士研究生。E-mail:jlsh1989@126.com