王 琦 ，李術(shù)才，李 智，李為騰，王富奇，江 貝，王德超，王洪濤

（1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061；2. 兗礦集團(tuán)有限公司 博士后科研工作站，山東 鄒城 273500）

1 引 言

頂板事故作為煤礦生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，占煤礦總死亡事故的40%以上，造成人員傷亡比率幾乎占井下所有事故死亡人數(shù)的一半[1－4]。在各種誘發(fā)因素中，斷層構(gòu)造占有較大比重，且斷層區(qū)可能引發(fā)頂板的整體斷裂垮落，造成較大的傷亡事故[5]。所以，研究斷層構(gòu)造區(qū)巷道頂板破斷機(jī)制和相應(yīng)支護(hù)對策具有很大的現(xiàn)實意義。

從現(xiàn)有資料來看，很少有針對該問題的相關(guān)研究成果，文獻(xiàn)[6]將斷層附近巷道圍巖作為研究對象，并沒有真正將斷層納入受力分析結(jié)構(gòu)體系中來。本文以巨野礦區(qū)某礦斷層區(qū)頂板冒落事故原因分析為背景，建立在斷層構(gòu)造下的頂板受力模型，對頂板破斷機(jī)制進(jìn)行分析。將研究結(jié)果應(yīng)用于該礦斷層區(qū)的支護(hù)方案設(shè)計中，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，提高煤巷斷層區(qū)支護(hù)效果和施工進(jìn)度，減少了斷層區(qū)頂板冒落事故的發(fā)生。

2 斷層區(qū)頂板事故原因分析

從發(fā)生的頂板事故實例分析，斷層區(qū)巷道大變形破斷及冒落的主要原因包括以下3點：（1）地質(zhì)條件突變。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，煤巷在施工時經(jīng)常面臨地質(zhì)構(gòu)造的突變，尤其是突遇斷層破碎帶等圍巖條件急劇變差的情況，常規(guī)的方案不能滿足突變后的圍巖支護(hù)需要，加大冒頂事故發(fā)生的風(fēng)險。（2）頂板破斷機(jī)制不明。遇到斷層后，由于相對復(fù)雜的頂板構(gòu)造具有特殊性，對斷層區(qū)頂板變形破斷機(jī)制沒有明確地認(rèn)識，使對斷層區(qū)圍巖的支護(hù)具有較大盲目性。（3）缺少有針對性的支護(hù)對策及方案。斷層區(qū)頂板事故多數(shù)是因為沒有做好針對地質(zhì)突變情況的支護(hù)預(yù)案或支護(hù)方案不合理，導(dǎo)致斷層構(gòu)造出現(xiàn)后不能及時進(jìn)行有效的支護(hù)，錯失最佳支護(hù)時機(jī)，造成頂板安全隱患。

3 斷層區(qū)頂板破斷機(jī)制分析

煤巷由斷層一盤穿越至另一盤，較為危險的情況是由下降盤水平掘進(jìn)至上升盤（本文僅研究此種情況），軟弱頂板厚度增加，原支護(hù)方式不能有效地控制軟弱頂板變形，形成了軟弱頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)，并最終由于懸臂巖梁破斷而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在前人關(guān)于巷道、隧道等地下工程頂板失穩(wěn)機(jī)制研究成果基礎(chǔ)上[7-11]，為方便分析，建立了頂板彈性深梁力學(xué)模型（用彈性力學(xué)理論進(jìn)行求解的跨高比符合深梁要求的力學(xué)模型）。由于斷層有正、逆斷層之分，本文將分別建立正斷層和逆斷層的力學(xué)模型進(jìn)行研究。

3.1 建立力學(xué)模型的前提條件

（1）地層條件突變后，頂板地質(zhì)條件變差，支護(hù)強(qiáng)度相對減弱，造成該處頂板產(chǎn)生變形并垮落。根據(jù)前人研究成果[12－13]，斷層處巷道頂板在橫截面上產(chǎn)生如圖1所示的變形垮落區(qū)，本文在此基礎(chǔ)上重點研究沿巷道軸向縱剖面上頂板受力變形破斷機(jī)理。

（2）將薄直接頂板1通過支護(hù)與堅硬頂板緊密貼合，共同視為穩(wěn)定變形體，不會最終破壞。如圖2所示。

（3）巷道穿越斷層破碎帶過程中導(dǎo)致斷層面活化，此時活化的斷層面強(qiáng)度急劇降低[14－16]，認(rèn)為該處活化斷層面不能承受拉力和剪力。

（4）斷層走向與巷道軸線大角度相交。

圖1 巷道頂板垮落橫截面示意圖Fig.1 Roadway cross-section diagram of roof caving

圖2 頂板變形破壞示意圖Fig.2 Schematic diagram of roof deformation and failure

3.2 力學(xué)模型簡化條件的建立

（1）將由n層巖層所組成的直接頂板2視為總厚度為h的整體連續(xù)梁，并簡化其橫截面為矩形。僅將直接頂板2作為研究對象，并按平面應(yīng)力問題進(jìn)行近似處理。

（2）斷層走向與巷道軸線夾角簡化為 90°，認(rèn)為煤巖是水平的，且都是均質(zhì)連續(xù)的彈性體。

（3）直接頂板2外端設(shè)定為固定端約束。

（4）由于老頂?shù)幕顒颖容^復(fù)雜，為便于研究，把老頂作用力 p1及直接頂板自重γh簡化為恒定大小的均布載荷p作用于直接頂板2巖梁上表面，即p= p1+γh。將支護(hù)抗力 FS（含圍巖自承能力）與FB共同簡化為一均布載荷 q作用在下表面，即q=FS+FB。FB為圖1中巷幫上方垮落面上的對垮落體的作用力，轉(zhuǎn)化到頂板下方作為支護(hù)阻力的一部分。

在上述條件下，建立如圖3所示的彈性深梁力學(xué)模型[8]。

圖3 力學(xué)模型Fig.3 Mechanical models

3.3 頂板力學(xué)模型解析解

針對上述力學(xué)模型，分別計算其應(yīng)力分量及最大有效剪應(yīng)力。

3.3.1 正斷層模型計算結(jié)果

矩形部分（x＞0）應(yīng)力分量計算結(jié)果表示為

楔形部分（x＜0）應(yīng)力分量計算結(jié)果表示為

式（1）、（2）中 0＜α＜90°。

3.3.2 逆斷層模型計算結(jié)果

矩形部分（x＞0）應(yīng)力分量計算結(jié)果為

楔形部分（x＜0）應(yīng)力分量計算結(jié)果表示為

式（3）、（4）中 90°＜α＜180°。

3.3.3 最大有效剪應(yīng)力計算

式（1）～（4）所表示的僅是頂煤的表觀應(yīng)力，而直接頂板2在地應(yīng)力及外部荷載作用下已產(chǎn)生損傷，所以根據(jù)損傷力學(xué)等效應(yīng)變假設(shè)，并將直接頂板視為各向同性損傷材料，引入連續(xù)性因子ψ，該因子可用彈性模量法[17]按進(jìn)行確定，E~為損傷煤體的彈性模量，E0為未損傷煤體彈性模量。因而，頂煤有效應(yīng)力可寫為[18]

將上述結(jié)果代入最大有效剪應(yīng)力求解公式得出頂煤最大有效剪應(yīng)力分布。

由公式（6）可知，其中的未知量為：x，y、p、q、q'、ψ、h和 α。對其中的變量進(jìn)行以下處理或取值：逆斷層中斷層面作用力q'根據(jù)計算結(jié)果與工程實際擬合情況，取q'=10q；為進(jìn)行不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板應(yīng)力分析，p/q分別取5、10和15，即p分別取值5q、10q和15q；為方便工程對比，根據(jù)巨野礦區(qū)某礦煤巷頂板破斷冒落實例分別取 α為67°（正斷層）、113°（逆斷層）；為使計算結(jié)果更具普遍性，將變量h和q取為單位量，即h = 1 m，q =1 MPa。在特定的工況下，ψ為常數(shù)，不影響在頂板中的分布規(guī)律，此處取ψ=1。

圖4為在此前提下計算得到的正斷層和逆斷層模型頂板最大有效剪應(yīng)力在不同的 p/q取值下的等值線圖。

圖4 最大有效剪應(yīng)力τm*ax等值線圖（坐標(biāo)軸單位：m；等值線數(shù)值單位：MPa）Fig.4 Maximum effective shear stress contours(axis unit: m; contour unit: MPa)

正、逆斷層的最大有效剪應(yīng)力分布具有以下不同規(guī)律：

（2）除了存在l/h=0～1位置處的共同的極小值點外，正斷層還存在另外2個極小值點（l/h=1.5～3范圍內(nèi)）。

3.4 破壞判據(jù)確定

圍巖作為脆性材料，其破壞形式主要為受拉或剪切破壞。由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，深梁頂板破壞形式應(yīng)屬剪切破壞，頂板內(nèi)某點的極限剪應(yīng)力為

式中：φ為頂煤內(nèi)摩擦角；c為頂煤凝聚力。

引入連續(xù)性因子ψ，則頂煤內(nèi)某點的極限有效剪應(yīng)力為

將式（1）～（4）及頂板圍巖的表觀單向抗壓強(qiáng)度 Rc=2c cosφ / (1 - sin φ)代入，整理得：

式中：K值為極限剪應(yīng)力變量因子。式（9）中的K集中體現(xiàn)了x、y、p、q等變量對的影響。

矩形部分（x＞0）：

楔形部分（x＜0）

頂板發(fā)生破壞的條件為：

即：

根據(jù)式（13）編程計算得到的K值隨l/h變化規(guī)律如圖5所示（各變量取值與計算實例取值相同）。

圖5 K值等值線圖（坐標(biāo)軸單位：m；等值線單位：MPa）Fig.5 Contours of K(axis unit: m; contour unit: MPa)

分析圖5可以得出以下規(guī)律：

（1）隨l/h增大，K值呈現(xiàn)出3個不同的分布區(qū)域，以正斷層p/q=10模型計算結(jié)果為例進(jìn)行說明：

區(qū)域Ⅰ：l/h=0～1部分，K值分布整體呈水平層狀，由上至下逐漸減小。

區(qū)域Ⅱ：l/h=1.0～1.6部分，K值在該區(qū)域分布較為均一，沒有較大變化。

區(qū)域Ⅲ：l/h=1.6～3.0部分，K值在該區(qū)域隨l/h增大增幅（減幅）變大，且向頂梁模型左上方急劇減小。

（2）規(guī)律（1）所述3區(qū)域分界點隨p/q的增大呈現(xiàn)出右移趨勢。

（3）正斷層、逆斷層具有基本相同的分布規(guī)律。

3.5 基于與K的頂板破斷模式分析

正斷層的相關(guān)結(jié)論：

逆斷層的相關(guān)結(jié)論：

（1）在區(qū)域Ⅰ內(nèi)，破斷模式與正斷層區(qū)域Ⅰ基本相同。不同之處在于逆斷層在模型左上角尖點處取得極大值，該位置圍巖易首先發(fā)生破壞。

（3）在區(qū)域Ⅲ內(nèi)，破斷模式與正斷層區(qū)域Ⅲ相同。

總體來說，斷層區(qū)煤巷頂板隨跨高比 l/h的增大呈現(xiàn)出3種不同的破斷模式：模式Ⅰ為頂板產(chǎn)生由下向上的層狀剝落；模式Ⅱ為頂板產(chǎn)生斜面狀（正斷層）或弧面狀（逆斷層）整體斷裂；模式Ⅲ為頂板產(chǎn)生由左上角開始的整體破斷。

3.6 工程建議

綜合分析以上研究結(jié)果，可得出防治斷層區(qū)頂板破斷失穩(wěn)的相關(guān)支護(hù)建議：

（1）加大支護(hù)強(qiáng)度。增大 q，使 p/q減小，可以有效減小頂板值。

（2）及時支護(hù)。減小l值，使未有效支護(hù)頂板跨高比減小，防止頂板出現(xiàn)較大的。

（3）斷層面附近（區(qū)域Ⅰ）巷道頂板下表面加強(qiáng)支護(hù)并改善護(hù)表效果。防止出現(xiàn)由下向上的頂板剝離失穩(wěn)，同時可有效防治逆斷層尖點處破壞失穩(wěn)。

（4）改善支護(hù)方式，減小懸臂梁的有效跨度或改變彈性梁受力結(jié)構(gòu)，從而改變頂板受力狀態(tài)。

（5）對于逆斷層，在采用上述支護(hù)建議的同時，應(yīng)當(dāng)加大斷層面下方圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，保證q′具有足夠大的值。

（6）以“先剛后柔再剛，先抗后讓再抗”支護(hù)理念為原則進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計，既充分發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)作用，又充分調(diào)動圍巖的自承能力[19]。

4 支護(hù)對策與工程應(yīng)用

4.1 支護(hù)對策研究

基于上述對斷層區(qū)頂板破斷機(jī)制的分析，結(jié)合現(xiàn)場實踐，提出了以錨索梁為主，極破碎處采用注漿加固的煤巷斷層區(qū)頂板支護(hù)對策。該支護(hù)采用自行研制的高強(qiáng)讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心構(gòu)件主要包括由箱型支護(hù)梁（截面形式為“Ⅱ”形，如圖6所示）、錨索讓壓環(huán)（圖7為該讓壓環(huán)的兩階段讓壓試驗曲線，讓壓點分別為20 t和30 t，讓壓量最大可達(dá) 50 mm）、高預(yù)應(yīng)力錨索組成的讓壓型錨索箱梁和高強(qiáng)錨桿，同時配以鋼帶、托盤、金屬網(wǎng)等附屬構(gòu)件。該支護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的工字鋼、槽鋼錨索梁支護(hù)系統(tǒng)相比，具有可讓壓、高剛、高強(qiáng)、護(hù)表面積大等顯著優(yōu)點。支護(hù)方案如圖8所示。

該支護(hù)方案可較好地滿足基于頂板深梁理論分析結(jié)論所對應(yīng)的支護(hù)要求，在理論上對正斷層、逆斷層均具有較好的支護(hù)效果。

（1）錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)與錨索（桿）系統(tǒng)相比，可提供更大的支護(hù)反力，在懸臂巖梁自由端增大有效支護(hù)荷載 q，減小 p/q值，從而減小梁內(nèi)最大有效剪應(yīng)力值。

（2）錨索梁通過長錨索將直接頂作用力傳遞到上部穩(wěn)定巖層，同時通過與箱型支護(hù)梁共同作用，使直接頂由靜定的懸臂狀態(tài)改善為超靜定的一端懸臂一端鉸支結(jié)構(gòu)，改善了受力狀態(tài)。

（3）支護(hù)系統(tǒng)將錨索預(yù)應(yīng)力通過箱型支護(hù)梁及時主動施加至直接頂表面，增大了護(hù)表面積和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍，加強(qiáng)了頂板表面支護(hù)，改善了護(hù)表效果，有效防止了頂板剝離失穩(wěn)，保持了頂板的完整性。

（4）讓壓型錨索箱梁系統(tǒng)在安裝后即可進(jìn)行及時傳力支護(hù)，當(dāng)圍巖壓力達(dá)到一定程度后變形讓壓，之后由箱型支護(hù)梁進(jìn)行強(qiáng)力支護(hù)。既最大限度地保持了圍巖的完整性，減少了圍巖強(qiáng)度的降低，又釋放了圍巖能量，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力。

（5）在頂板斷層區(qū)極破碎處，采用注漿錨桿與注漿錨索聯(lián)合加固，提高圍巖完整性和自身承載力，維護(hù)頂板穩(wěn)定。

圖6 箱型支護(hù)梁Fig.6 Box supporting beam

圖7 錨索讓壓環(huán)單軸壓縮位移-壓力試驗曲線Fig.7 Displacement-pressure curve of uniaxial compression test

圖8 斷層區(qū)支護(hù)方案設(shè)計Fig.8 Support scheme design of fault zone

掘進(jìn)支護(hù)時還應(yīng)注意跨高比與頂板的破斷模式有密切關(guān)系，因此，在掘進(jìn)過程中要及時地支護(hù)，盡可能的減小跨高比。

4.2 工程實例

巨野礦區(qū)某礦煤層埋深大、地應(yīng)力高、地層條件復(fù)雜、存在多處斷層構(gòu)造。在過斷層處利用上述理論研究結(jié)論進(jìn)行分析，根據(jù)防治斷層區(qū)頂板破斷失穩(wěn)的相關(guān)支護(hù)建議，該礦順槽在斷層帶采用高強(qiáng)讓壓型錨索箱梁支護(hù)方案組織施工，順利通過7條斷層破碎帶，有效地避免了頂板事故的發(fā)生。

對施工后的巷道進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示，斷層區(qū)的巷道變形很快趨于穩(wěn)定，達(dá)到了較好地支護(hù)效果。相比架棚支護(hù)或其他冒頂后補(bǔ)救措施，具有經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便、縮短工期等顯著優(yōu)勢。圖9為讓壓型錨索箱型梁在順槽斷層構(gòu)造區(qū)使用1個月后的變形情況。圖 10為476#鋼帶處圍巖變形監(jiān)測結(jié)果。

圖9 煤巷斷層區(qū)讓壓型錨索箱型梁支護(hù)效果Fig.9 Pressure relief anchor box beams supporting effect in fault zone of roadway

圖10 煤巷斷層區(qū)變形監(jiān)測結(jié)果Fig.10 Monitoring results of roadway fault zone deformation

5 結(jié) 論

（1）建立了頂板深梁力學(xué)模型，對深部巷道斷層區(qū)頂板受力及破壞機(jī)制進(jìn)行分析，推理計算得到頂板深梁最大有效剪應(yīng)力和及極限有效剪應(yīng)力的計算公式，工程實例證明，該模型是合理的。

（3）斷層區(qū)煤巷錨索梁支護(hù)方式可進(jìn)行及時主動支護(hù)，以提高支護(hù)強(qiáng)度和護(hù)表效果，改善頂板受力狀態(tài)，有效防止頂板斷裂冒落。

（4）讓壓型箱型錨索梁具有可讓壓、高剛、高強(qiáng)、護(hù)表面積大等顯著優(yōu)點，經(jīng)過合理搭配調(diào)整各構(gòu)件參數(shù)，可很好地滿足“先抗后讓再抗”、強(qiáng)力支護(hù)與讓壓支護(hù)相協(xié)調(diào)的要求，現(xiàn)場實施結(jié)果顯示，對煤巷斷層區(qū)頂板支護(hù)具有較好效果。

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