B060402-对锚网支护煤巷顶板离层及控制措施的认识

对锚网支护煤巷顶板离层及控制措施的认识王启成 李 华【大屯煤电（集团）公司生产管理部 江苏 沛县，221611】摘 要 针对大屯矿区锚网支护煤巷的现状，对顶板离层类型和影响顶板离层变形主要因素进行了分析，并提出了一些基本的控制措施。关键词 顶板 离层变形 影响因素 控制措施随着人们对巷道围岩受力变形规律研究的不断深入，巷道围岩不再被认为是纯粹的施载体。现代支护理论认为：巷道围岩支护结构是一种“支架围岩”相互作用的关系，即围岩既是施载体，同时又是承载体，由于支护和煤岩层变形的不同步、不协调或者说不可抗力等情况的存在，顶板发生离层变形是理所当然的。然而通过科学的方法和手段分析煤矿巷道顶板离层和采取有效的支护措施，使离层量控制在安全范围内就显得尤为关键。本文从矿区煤层巷道支护现状出发，对影响煤巷顶板离层的主要因素进行了简单归纳，并提出了一些有效的控制措施。1 变形的机理与其类型本文所讨论的顶板离层是“狭意”的离层含义，不包含岩石弹性变形、碎胀等问题。仅指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度内岩层中某点的相对位移量。1.1顶板变形的诱发机理顶板离层变形的发生是由于巷道周围岩是非均质的、不连续的，特别是上下位岩层在变形参数上的不连续性。巷道顶部围岩通常是层状的，每层岩体的物理、力学性质都不尽相同，这就导致在大致相同的应力（垂直应力和水平应力）作用下，每层岩体的应变和位移都不相同。一般来说，受煤化作用的影响，靠近煤层的岩层（例如直接顶和直接底）的力学性质通常比距离煤层较远的岩层（例如老顶和老底）的力学性质差，例如弹性模量E、波松比等。从而造成巷道顶部围岩中的下位岩层一般比上位岩层的垂直位移量（下沉量）大，而在相邻的上、下位岩层之间形成垂直位移差，即产生离层。对于锚杆支护的巷道来说，锚固范围内的煤岩体可近似看作一层力学性质相同的岩体，它与其上位岩体的离层量就称为锚固范围内的顶板离层量；而锚固范围外的岩体相对与稳定岩层（垂直位移量约等于零）的相对离层量称为锚固范围外的顶板离层量。1.2离层变形的类型结合顶板离层变形机理，我们可以把矿区煤层巷道顶板离层变形归纳为以下3种常见情形，即： 对于中厚煤层或厚煤层顶分层巷道，巷道顶板为直接顶（或层状老顶），层状岩层的变形参数不同，处于下位的岩层的变形量比处于上位的岩层的变形量大时，层与层之间产生层间离层，而且这种离层有可能几处同时发生与存在。 厚煤层沿底巷道，在顶煤锚固体厚度与整个顶煤厚度相近的情况下，在顶煤和顶板岩层间产生变形不协调，从而在煤岩分界面处产生离层；当顶煤较厚、锚固体上方仍留有部分顶煤时，锚固体顶煤和非锚固体顶煤间可能产生离层，同时在顶煤与岩层分界面处也可能产生离层。 受地质构造的作用与影响，在巷道顶板内出现游离块体，该块体同其它围岩间基本上失去了力学联系。当由于掘巷等创造出下位自由空间时，在其自重的作用下，该块体产生下滑移动趋势，在其完全垮落前首先产生较大的离层值。2 影响煤巷顶板离层变形的主要因素影响顶板离层的因素主要有地应力大小、巷道围岩力学性质、巷道围岩结构、巷道支护方式及参数、巷道断面形状与尺寸、巷道掘进方式、施工速度与质量、护巷煤柱大小（沿空巷道）等。按影响类型不同可以分为四类：自然地质因素、巷道断面形状和尺寸、巷道支护方式与参数以及施工速度与质量。2.1自然地质因素自然地质因素主要包括：巷道所处位置的地应力大小、巷道围岩的结构、各岩层的物理及力学性质等。由于巷道所处的地理位置确定后其自然地质条件也基本确定了，因此自然地质条件是客观决定的，非人力所能改变的。2.1.1 地应力地应力是引起巷道围岩变形和破坏的根本原因。随着地应力的增大，巷道围岩的弹性位移、塑性位移、扩容位移都呈增加的趋势。随着开采深度和地应力的增大，地质环境更趋复杂，煤岩体破碎程度增大、地应力增大、涌水量加大、地温升高、瓦斯涌出量增大、突发性灾害事故增加、作业环境恶化等一系列问题将不断出现。同时各种形式的离层值也必然随之增加。2.1.2 围岩力学性质围岩力学特性对巷道稳定性有重要影响。表征围岩力学特性的主要物理量有围岩强度、弹性模量、内摩擦角、凝聚力、波松比等。围岩的力学参数越大，巷道的变形越小，巷道越稳定。在煤矿生产实践中，容易测取、应用较广泛的是围岩的单轴抗压强度。经验表明，顶底板移近率随围岩强度的增高而降低，当强度低于某一值（如30MPa）时，移近率随强度的降低而急剧增加；当强度大于某一值（如50MPa）时，移近率随强度的变化就不明显了。2.1.3 围岩结构煤层巷道围岩一般呈层状分布，并且不同程度地受节理、裂隙的切割。巷道顶板岩层各分层的岩性、厚度及节理裂隙发育程度对顶板的稳定影响很大。在巷道顶板岩性一定的情况下，分层厚度、节理裂隙间距越大，巷道顶板稳定性就越好，相应的顶板离层量就越小。2.2 巷道断面形状与尺寸巷道断面形状及尺寸可以通过人为调整和改变，不同形状和尺寸的巷道对顶板离层量也有较大、较直接的影响。2.2.1 断面形状巷道断面的形状对巷道围岩的稳定性有较大影响。根据弹性力学和岩石力学知道，从理论上讲最佳的巷道断面形状是椭圆，并且当椭圆的轴比等于相应的地应力之比时，此时巷道将处于等压状态，利于巷道围岩的稳定。圆形巷道其次，矩形和梯形巷道最差。由于具有施工简单、易于成形等优点，矩形和梯形断面形式是目前国内回采巷道的主要断面形式。但矩形和梯形巷道容易在巷道的4个拐角处产生应力集中现象，并且在巷道的长边（例如矩形巷道的顶部、梯形巷道的两斜边）上也易于出现拉应力，这些现象都会降低巷道围岩的强度，甚至对巷道围岩岩体产生较大的破坏。由于巷道围岩强度降低或者巷道围岩破坏，将导致巷道围岩位移量增加，特别是巷道顶部围岩的下沉量会有大幅度的增加，与此同时巷道顶部围岩的离层量也会明显增长。2.2.2 巷道尺寸巷道顶部煤岩体和两帮极限平衡区内煤体的平衡结构可以简化为一简支梁结构（巷道断面以矩形为例）。当巷道宽度加大时，相当于加大了梁的长度，巷道的极限平衡深度也相应增加；同时巷道顶部围岩的垂直位移量（下沉量）也加大了，此时巷道顶板离层量也会随之有大幅度的增加。加大巷道的高度，等于增加了巷道两帮煤体的长度，由此两帮煤体易于出现拉应力破坏现象。同时加大巷道的宽度和高度就增大了巷道断面的面积，使巷道围岩的极限平衡半径加大，随之巷道顶部围岩的下沉量增大，顶部围岩的离层量也就会增大。在地应力、围岩结构及力学性质、巷道形状不变的条件下，巷道断面尺寸愈大，愈不利于巷道的稳定。随着掘进、回采工艺机械化的发展，要求回采巷道断面面积不断加大。但是巷道断面面积的增加不会是无限制的，当巷道断面尺寸增加到某一值时，尺寸少量的增加都会要求支护成本的成倍增长。因此，在满足生产需要的条件下，尽量减小巷道断面的面积能够较好地提高巷道围岩的稳定性，减少巷道顶部围岩的离层量。2.3 巷道支护方式与参数目前回采巷道的主要支护方式是架棚支护和锚杆支护。由于架棚支护的自身特点，支护后顶板离层量相对很大。而锚杆支护属主动支护方式，支护后顶板离层量相比架棚巷道的离层量要小得多。普通的锚网支护对于控制回采巷道围岩变形作用较显著。由于锚杆长度有限，其有效范围仅仅局限于锚固区内，对于锚固区外的煤岩体离层没有直接的影响；特别是厚煤层沿底巷道，由于顶煤厚度较大，锚杆常常不能深入顶煤之上的岩层中，因此对于控制顶煤和直接顶的离层（锚固区内的离层），如果采取单一锚杆支护是没有显著效果的。锚网锚索支护对于控制厚煤层沿底巷道、复杂围岩结构巷道的离层量有显著作用。其原因在于锚索长度较大，能够深入巷道上方的稳定岩层中（例如老顶）。这就相当于加大了锚杆的锚固范围，对其支护范围内的煤岩体的位移量、离层量都有显著控制效果。特别是厚煤层沿底巷道，由于顶煤与直接顶岩层的力学性质差别一般较大，因此锚索在控制顶煤和直接顶的离层效果就显得极其明显。在一定的自然地质条件下，增大锚杆的支护密度、直径、长度以及锚固长度，就相当于增强了锚固区内煤岩体的完整性和力学性质，因此会使巷道顶部围岩的下沉量有不同程度的减小，使巷道顶板的离层量也会有不同程度的降低。2.4 施工速度与质量巷道掘进工艺、掘进速度以及施工质量对巷道顶板离层也有不同程度的影响。2.4.1 掘进工艺目前，国内回采巷道一般采用炮掘和综掘两种掘进工艺。由于爆破破坏了巷道围岩结构的完整性，对煤岩体造成了松动、损伤，因此炮掘巷道的围岩位移、变形普遍较严重，其顶板离层量也较大。机械化综掘工艺对巷道围岩的破坏较小，能够最大限度的保持巷道围岩的完整性，因此，与炮掘工艺相比，综掘巷道的围岩稳定性较好，顶板离层量也较小。2.4.2 掘进速度掘进速度越快就越能够减少掘进活动对巷道围岩的影响，巷道围岩进入稳定状态所需时间就越短，巷道围岩的位移、变形量也就越小，相应的巷道顶板的离层量相应也会有所减小。如果掘进速度慢，巷道围岩就会长期受掘进的影响，煤岩体进入稳定状态所需时间就会变长，巷道顶板的离层量就会有所增加。与掘进期间相类似，在回采期间，如果工作面回采推进速度较快的话，就会缩短工作面前方的巷道围岩处于支承压力作用时间，巷道围岩的位移、变形量会有较大程度的减小，巷道顶板的离层量也会有较大幅度的降低。2.4.3 施工质量在掘进期间，巷道的施工质量对顶板离层量也有一定的影响，特别是锚杆（索）支护的巷道。例如，在采用炮掘工艺时，如果炮眼装药量过大，爆破后的巷道就存在成形不好、超挖、煤岩体受损等现象，巷道围岩的运动由此就会加剧，巷道顶板离层量就不可避免地会增大。在施工锚杆或锚索支护时，如果其角度不符合作业规程要求，就会使锚杆（索）的有效锚固长度减小，特别是锚索有效长度的减小会更明显，这样就会增大顶板的离层量。因此，在巷道施工中，一定要按作业规程施工，减少人为的不利影响，提高施工质量，这对于控制巷道顶板离层量极为关键。3 控制顶板离层的有效措施在影响巷道顶板离层变形的主要因素里，除了自然地质因素外，巷道的断面形状和尺寸、巷道支护方式与参数以及施工速度与质量都是可以进行调整和优化的。在进行回采巷道掘进、支护设计时，就应充分考虑到从巷道断面形状与尺寸、掘进工艺、支护方式、支护参数、掘进速度以及施工质量监测等方面对顶板离层的影响，以便巷道施工达到最佳的效果和质量。3.1 优化巷道断面形状与尺寸目前，国内的回采巷道断面形状一般为梯形或矩形，随着开采深度的逐渐增加，这两种断面形状的缺点日益显著。针对厚煤层综放沿空巷道，兖州南屯煤矿和大屯姚桥矿采用了半圆拱形断面。掘进和回采期间的矿压观测结果表明，半圆拱形断面对于减小巷道围岩的变形、位移以及顶板离层量都有显著效果。因此，在今后的回采巷道设计时，可以尝试使用半圆拱形断面。随着大功率、大型机械设备的使用，要求回采巷道的断面越来越大。但是巷道的极限平衡半径也随之增大，导致巷道围岩的位移和变形、巷道顶板离层量在掘进回采期间显著增大。特别是一定的地质条件下，巷道的跨度有一个极限值极限跨度，如果超出这一极限值，就会给掘进期间的巷道支护、回采期间的超前维护造成极大的困难，严重的巷道顶板会由于离层量过大而冒落，从而危及作业人员的人身安全；同时，为了控制巷道围岩的位移、顶板离层量，必然会加大锚杆、锚索等支护材料的密度、长度和强度，这就会造成支护成本的成倍增加。因此，一味强调增大巷道的跨度和高度必然会给技术、安全和经济等方面造成诸多难题。为此，在满足生产、安全要求条件下，应尽量缩减巷道的跨度和高度。这将有利于维护巷道稳定，保证施工人员的安全，同时还能减少生产成本。3.2 合理选择支护方式与参数在回采巷道中架棚支护由于技术、安全和成本原因，除了特殊条件（例如巷道顶板及其破碎、分层开采中下分层巷道等）外，目前一般很少使用。锚杆支护由于具有众多优点，在当前国内大部分矿井的回采巷道中成为主要支护方式。因此，只要自然条件许可的回采巷道，都应优先选用锚杆支护。在锚杆（索）支护的参数中锚杆（索）长度和直径已经系列化，选择范围较小，同时锚固方式一般应选用全长锚固。因此，其中可调整的项目主要是锚杆（索）的间、排距。从理论上讲，锚杆（索）的间排距越小，巷道顶板离层量就越小，但在生产中还要顾及成本。因此，在实际生产中，应在保证生产安全（巷道顶板离层量不超过允许范围）的条件下，选用较大的间、排距。此外，在巷道的掘进过程中，要根据地质条件的变化及时调整以上各因素，保证技术可行、安全可靠、经济合理。因此，这一调整优化是动态的过程，并不仅仅指在最初的设计中，在巷道施工过程中作进一步优化和调整同样重要。3.3 提高施工速度与质量综掘巷道的围岩稳定性较好，顶板离层量也较小。因此，在条件允许情况下应优先考虑综掘工艺。掘进期间加快掘进速度、回采期间加快回采进度都能有效降低回采巷道围岩的位移量和巷道顶板的离层量。因此，在生产中应尽可能提高施工速度。在巷道掘进期间应保证锚杆（索）施工质量（锚杆和锚索的间排距、角度和拉拔力）不低于作业规程要求，在工作面回采期间要保证超前支护的施工质量（单体液压支柱的间排距、初撑力以及超前长度等）不低于作业规程要求。此外，还应尽量提高超前支护的施工质量，能够保证施工人员的人身安全，同时也能够减小巷道顶板离层量。4 结 论（1）顶板离层变形的发生机理在于巷道周围岩体是非均质的、不连续的。由于巷道顶部每层岩体的力学性质都不相同，就导致各层岩体的垂直位移不相等，从而产生离层。（2）影响回采巷道顶板离层量大小的主要因素可分为四类：自然地质因素、巷道断面形状和尺寸、巷道支护方式与参数、施工速度与质量。在上述四类因素中，除了自然地质因素是非人为因素外，其它三类都是可以人为调控的。（3）控制回采巷道顶板离层量的方法主要包括：优化巷道断面形状与尺寸