煤巷复合顶板岩层失稳判别方法与冒顶隐患分级

冯吉成，许海涛，郑 赟，彭 瑞，马海燕

(华北科技学院 安全工程学院，北京 101601)

巷道顶板灾害是我国矿业各类灾害中发生频率最高和死亡人数最多的灾害，顶板支护安全是控制煤矿安全生产的重点。长期以来，为了能够及时发现巷道冒顶高风险区域，国内外学者在巷道围岩冒顶机理和稳定性分类研究方面做了大量工作，取得了丰富的研究成果。陈炎光、陆士良[1]将巷道冒顶影响因素归为四大类：自然地质因素、工程质量因素、采掘工程影响、矿井工程技术人员未严格执行顶板安全规程；勾攀峰、侯朝炯[2]在巷道围岩应力分布基础上，指出锚杆支护巷道冒顶的类型可分为两类：一类是沿巷道两帮上方顶板锚固体发生剪切破坏而滑落，一类是巷道顶板上方锚固体被压缩破坏而冒落。黄旭、马念杰等[3]认为巷道层状顶板冒顶主要与顶板岩层性质、赋存状态等因素有关，但其中软岩厚度的变化是顶板冒顶主要因素；贾蓬，唐春安等[4]认为岩梁的厚跨比对层状巷道冒顶有重要影响；黄达，康天合[5]认为层状顶板岩体破坏冒顶是主要是由侧压系数λ决定。贾明魁[6]将冒顶原因分四大类、十二个亚类，认为层状围岩体巷道顶板岩层的组合劣化是导致冒顶的最大原因。杨建辉[7]揭示层状顶板岩体在垂直应力作用下，岩层内节理、裂隙使层状转化为铰接拱，承载结构破坏，水平应力作用下，拱铰接破碎压坏，煤巷层状结构顶板在垂直和水平应力下最终会形成组合铰接拱结构。

对于围岩稳定性分类的研究，大多是从一个矿井或一个煤层的宏观角度来研究围岩的稳定性[8-18]，大部分巷道均采用相同或者过剩支护设计来控制巷道冒顶，不仅增加了支护成本，而且冒顶事故还时有发生。为了能够及时发现巷道冒顶高风险区域，将同一巷道顶板稳定性划分为不同级别，刘洪涛，马念杰[19]将巷道顶板分类与支护体参量建立联系，构建了巷道顶板岩层稳定性力学模型，分析了影响巷道顶板冒顶主要因素，根据不同级别采取科学合理、有针对性的支护。

因此，本文针对同一巷道不同区域层状顶板垮落问题，建立煤巷复合顶板岩层过梁结构力学模型，获取巷道顶板岩梁破断失稳形态和极限条件，提出巷道复合顶板岩层失稳判别方法，建立巷道复合顶板冒顶隐患级别划分指标体系，开发巷道层状顶板稳定性判别软件，通过石圪台矿现场调研、顶板窥视、锚杆(索)测力、松动圈测试和物理力学实验等手段获取参数，掌握石圪台矿2-2煤顶板冒顶隐患级别区划特征，给出基于巷道冒顶隐患分级的回采巷道顶板支护参数设计方案，实现差异化支护设计。

1 煤巷复合顶板岩层失稳破断过程与稳定性分析

1.1 煤巷复合顶板岩层破断过程力学分析

在一般情况下，剪切应力对应的极限跨距远大于梁弯曲所产生的极限跨距，因此在进行建模计算时，按岩梁极限跨距和承载能力的大小判断岩层是否失稳。

1.1.1 固支梁

巷道开挖后，在短时间内巷道围岩破坏较小，巷道顶板岩梁力学模型在初始时实际应按固支梁计算，如图1所示。

图1 顶板岩梁固支力学模型

按照模型计算岩层极限跨距时，首先从巷道顶板第一层岩层开始分析，如果该层岩梁的极限跨距小于巷道的实际跨度，则第一层为非稳定岩层，岩层失稳垮落。如果该层岩梁的极限跨距大于巷道的实际跨度，则依据图1力学模型计算，计算直至找到稳定岩层为止。

按照固支梁进行计算，当岩层的抗拉强度极限最小强度σtx小于最大拉应力σmax时，岩层破断，岩层发生失稳，此时固支梁发生断裂，该岩层极限最小强度跨距为：

式中，hx为第x层岩层厚度；Lx为第x层岩层跨度；σtx为第x层岩层的单向抗拉强度。

从式(1)中可知，第x层岩层极限最小强度跨距Lx与该层岩层厚度hx、单向抗拉强度σtx和实际作用载荷qx等因素有关，其中极限最小强度跨距Lx与岩层厚度hx和单向抗拉强度σtx成正比，与实际作用载荷qx成反比。说明当其他条件不变情况下，岩层厚度和抗拉强度越大，极限最小强度跨距越大，该层越稳定，若作用载荷qx越大，岩层承载作用载荷越大，极限最小强度跨距越小，越容易失稳。

在极限跨距影响因素研究方面，文献[19]研究得出的埋深影响系数fm、地应力异常影响系数fd、岩体完整系数fw等因素都会对岩层极限跨距起到削弱作用，在计算岩层极限最小强度跨距时也将以下因素进行考虑分析，并将其引入到岩层极限跨距计算公式中：

1.1.2 过梁结构

如果该岩层的极限跨距要大于巷道的实际跨度，形成过梁结构，当插入段相对巷道宽度L比较大时，趋近于固支梁，该岩层稳定；当插入段不是很长时，形成的过梁结构介于固支梁和简支梁之间，建立顶板岩层过梁结构模型如图2所示，弯矩如图3所示。

图2 巷道复合顶板岩层过梁结构力学模型

图3 弯矩图

岩梁最大正弯矩和负弯矩分别为：

根据梁上任意一点正应力有：

因此，得到：

图4 块体铰接平衡结构

1)当咬合点的处摩擦力小于剪切力时形成滑落失稳。岩块滑落失稳的判定条件：

式中，φ为岩块间的摩擦角，一般情况下，φ=38°～45°，tanφ=0.8～1；[L]为岩层极限跨距；hx为岩层厚度。

由于极限跨距[L]相对于巷道跨度L不是很大，从式(5)中可知，铰接岩块滑落失稳的稳定条件与该层岩块厚度hx、岩层极限跨距[L]或巷道跨度L、岩块间的摩擦角与断裂面和垂直面角度差的正切值tan(φ-θ)等因素有关。岩层厚度hx与岩层极限跨距[L]或巷道跨度L的比值越小，即岩层越薄，巷道越宽，铰接岩块结构抗滑落失稳的能力就越大。

2)当岩块的回转工程中，咬合处拉坏造成回转加剧，导致整个岩层变形失稳。其判定条件为：

从式(4)可知，岩块间的挤压强度σp与岩梁载荷qx、岩层厚度hx、岩层极限跨距[L]或巷道跨度L和巷道顶板下沉量等因素有关，当岩梁载荷qx越大，岩层厚度hx与岩层极限跨距[L]或巷道跨度L的比值越小，巷道顶板下沉量越大，岩块间的挤压强度σp越大，铰接岩块越容易失稳，当岩块间的挤压强度σp大于极限抗压强度[σc]时，σp>[σc]，铰接岩块失稳。

1.2 巷道复合顶板稳定岩层判定依据

1.2.1 实际载荷qx分析

在巷道顶板岩梁的实际载荷qx分析中，根据第n层对第x层影响时形成的上覆岩层载荷的计算公式为[20]：

式中，Ex为第x层岩层的弹性模量，MPa；hx为第x层岩层厚度，m；γx为第x层岩层的体积力，N/m3。

第x层岩梁下位不稳定岩层的载荷为：

Qx=γ1h1+γ2h2+…+γx-1hx-1

(6)

因此，作用于第x层岩梁上的实际总载荷分为式(7)与(8)之和：

qx=(qn)x+Qx

(7)

1.2.2 判定依据

首先根据顶板岩层分层厚度hn、分层载荷qx、分层强度σtx、采动影响系数fc、埋深影响系数fm、地应力异常影响系数fd、岩层完整性影响系数fw等指标，判定第x层岩层的稳定性，其准则为：

最后根据逐层判断找到稳定岩层，获得巷道顶板不稳定岩层失稳厚度即冒顶高度：

2 巷道冒顶隐患分级

2.1 巷道冒顶隐患划分指标体系

由式(2)—(4)可知，巷道层状顶板稳定岩层的高度与地应力异常的影响系数，埋深影响系数，岩层完整性系数，单层岩层厚度，巷道实际跨度，单轴抗拉强度，单轴抗压强度，岩层实际作用载荷，岩层极限跨距，岩块回转角和顶板下沉量等影响因素有关。将所有影响因素从围岩应力、工程因素和围岩性质的角度整理，归纳得到影响巷道层状顶板冒顶隐患级别划分因素主要有地应力、巷道埋深、巷道断面尺寸、顶板变形破坏特征、顶板岩性及结构组合、围岩力学性质和地下水与局部地质构造等，如图5所示。

图5 巷道层状顶板影响冒顶高度指标体系

然而地应力、巷道埋深、巷道断面尺寸、顶板岩性及结构组合、顶板变形破坏特征、围岩力学性质(单轴抗压强度、单轴抗拉强度、岩石内聚力、内摩擦角和弹性模量)等参数都是分析巷道层状顶板稳定岩层高度的重要影响因素之一，但不能单独作为级别划分的指标，然而这些影响因素都与巷道层状顶板稳定岩层的高度直接关联，它们直接或间接影响巷道顶板不稳定岩层厚度即冒顶高度。

2.2 巷道冒顶隐患分级方法

Ⅰ类顶板冒顶高度最小，位于常规锚杆能够锚固到的范围之内，将Ⅰ类顶板最大冒顶高度设定为1.5m，此类顶板需要维护的载荷和岩层重量都较小，能够作为承载层，一般不会发生冒落高度较大的顶板事故，在设计支护参数过程中只需要保证承载层内岩石不发生局部冒落即可。

Ⅱ类顶板冒顶高度大于Ⅰ类顶板，已经超过了常规锚杆可以锚固到的范围，但仍位于短锚索能够锚固到的范围之内，将Ⅱ类顶板最大冒顶高度设定为3.5m，此类顶板依然可以作为承载层，在设计支护参数过程中只要常规“锚杆+短锚索”支护形式，该类顶板不会发生冒落高度较大的顶板事故。

Ⅲ类顶板冒顶高度已经较大，超过了常规锚杆和短锚索锚固范围之内，此类顶板必须采用长锚索来进行支护，将Ⅲ类顶板最大冒顶高度设定为5.5m，由于此类顶板冒顶高度大，巷道顶板完整岩层下部岩体破坏范围也相对严重，在井下容易发生冒顶事故。

Ⅳ类顶板冒顶高度最大，超过了常规的锚索长度能够锚固到的范围，这类顶板由于破坏范围大、冒顶高度高，损毁后果及危害程度严重。因此，要在高强支护的基础上加强观测与监测工作，如增加锚索密度、直径、长度以及架设工钢棚等，争取将冒顶隐患风险降到最低。

3 巷道冒顶隐患分级与支护设计实例

3.1 巷道层状顶板冒顶高度判别软件

巷道层状复合顶板冒顶高度判定软件由Java语言开发而成，输入一个钻孔整体层位信息，可从上至下输入岩性，涉及范围到顶板破坏高度远远超过巷道5倍的影响半径，满足判断巷道冒顶高度要求，同时针对每一岩层，要对应买个地面钻孔和窥视钻孔巷道顶板岩层从下至上依次输入，单层厚度，岩性，岩性代码，抗压强度，抗拉强度，弹性模量，体积力，巷道跨度，巷道埋深，实测地应力，点击计算按钮，最终得到巷道层状复合顶板冒顶高度H值，点击保存。

3.2 巷道层状顶板冒顶隐患级别划分

以神东矿区石圪台矿2-2煤层为例进行巷道层状顶板冒顶隐患分级。由于篇幅有限，参数获取过程和结果不再赘述，将每个地面钻孔和顶板窥视钻孔的岩层参数代入到开发的巷道层状顶板稳定性判定软件中，得到层状顶板失稳累计高度，结合SURFER软件的插值与绘图功能，从而将冒顶隐患级别对应到该煤矿采掘工程平面图上，获得顶板稳定性分类图，不同冒顶级别区域是由不同等值线来区分，相同的等值线包括的范围就是冒顶隐患级别相同的顶板类型，如图6所示。

图6 石圪台矿2-2煤顶板稳定性分类图

根据图6分析结果可知，石圪台矿2-2煤顶板冒顶隐患级别区划特点：

1)井田以Ⅱ和Ⅲ级隐患顶板为主，其中大巷主要布置在Ⅰ和Ⅱ级隐患顶板区域，大巷稳定性较好。

2)井田大巷以西区域Ⅰ和Ⅱ级隐患顶板居多，东北区域以Ⅲ和Ⅳ级隐患顶板居多，顶板稳定性较差。

3)Ⅲ级顶板和Ⅳ级顶板分界区域，大多为高冒风险顶板，在巷道施工过程中需要重点监测，及时采取合理有效补强措施，避免出现伤人事故。

3.3 基于巷道冒顶隐患分级的支护参数设计

基于石圪台矿2-2煤顶板不同级别顶板隐患区域，给出了回采巷道顶板支护参数设计方案，具体如下：

Ⅰ类：顶板采用锚杆支护，Φ18mm×2000mm的A3圆钢锚杆，间排距为1200mm×1100mm，每排4根锚杆，锚头锚固，CK2350树脂1卷。

Ⅱ类：顶板采用锚杆加锚索支护，Φ18mm×2100mm的左螺纹钢锚杆，间排距为1000mm×1000mm，每排5根锚杆，端头锚固，CK2350树脂1卷；Φ15.24mm×4500mm的锚索，间排距为3000mm×3000mm，CK2350树脂3卷。

Ⅲ类：顶板采用锚杆、锚索、钢带加网联合支护，Φ20mm×2100mm的螺纹钢锚杆，间排距为1100mm×900mm，每排4根锚杆，端头锚固，CK2350树脂1卷，压Φ14钢筋钢带；Φ15.24mm×6500mm的锚索，间排距为2500mm×2000mm，CK2350树脂1卷，压Φ14钢筋钢带，6.5mm钢筋网，网孔规格为150mm×150mm。

Ⅳ类：顶板采用加长锚杆、锚索、钢带加网联合支护，必要时架设工钢棚，Φ20mm×2100mm的螺纹钢锚杆，间排距为900mm×800mm，每排5根锚杆，加长锚固，CK2350和M2350树脂各1卷，压Φ14钢筋钢带；Φ15.24mm×8000mm的锚索，间排距为1500mm×2000mm，CK2350树脂3卷，压Φ14mm钢筋钢带，6.5mm钢筋网，网孔规格为150mm×150mm。

4 结 论

2)建立了煤巷复合顶板冒顶隐患级别划分指标体系，给出了隐患分级方法，将巷道冒顶高度作为冒顶隐患的分级指标，利用Java语言程序开发了巷道层状顶板稳定性判定软件，结合SURFER软件的插值与绘图功能，绘制出了石圪台矿2-2煤巷道顶板冒顶隐患级别分级图。

3)掌握了石圪台矿2-2煤顶板冒顶隐患级别区划特征，井田以Ⅱ和Ⅲ级隐患顶板为主，大巷主要布置在Ⅰ和Ⅱ级隐患顶板区域，稳定性较好，大巷以西区域Ⅰ和Ⅱ级隐患顶板居多，以东北区域Ⅲ和Ⅳ级隐患顶板居多，尤其Ⅲ级和Ⅳ级顶板分界区域，需重点监测，及时采取合理有效补强措施。

4)根据石圪台矿2-2煤顶板冒顶隐患级别区划特征，给出了基于巷道冒顶隐患分级的回采巷道顶板支护参数设计方案，为该矿巷道支护设计提供了理论指导。