煤巷复合顶板的稳定性分析

2019-09-06苏锋，梁乐

陕西煤炭 2019年5期

苏锋，梁乐

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054)

0 引言

矿山巷道顶板的稳定性是巷道支护设计的依据。目前，国内外很多学者对不同地质条件下的巷道顶板稳定性进行了分析，取得了丰硕的研究成果，但这些研究大都是基于普通的厚煤顶板或多层薄层顶板而言的，很少有学者对煤巷复合顶板的稳定性进行研究。根据复合顶板的变形破坏规律，针对复合顶板变形破坏的不同阶段，采用不同的分析方法对复合顶板进行稳定性分析，研究成果可以为类似巷道的支护设计提供理论依据。

1 复合顶板的变形破坏规律

目前，对复合顶板的变形破坏规律，不同的学者有不同的看法。柏建彪、侯朝炯认为，复合顶板的变形破坏是由于软硬岩互层，岩层间粘结力极低、弱面发育导致[1-2]。蔡庆生认为复合顶板的破坏主要是顶板肩角和梁中间处发生的挤压破坏[3]，耿献文等人[4-5]认为，复合顶板中存在软弱夹层(煤线、泥岩)，导致上下层面间的结合力很低，普通锚杆无法将其纳入锚固范围之内，承载能力有限，而且软弱夹层本身的松动膨胀也会对下位岩层形成较大的垂直载荷，最终导致顶板垮落。但这些变形破坏规律都是定性的描述，缺乏完整的理论依据。

在工程实践过程中，巷道开挖后复合顶板的变形破坏是一个非常复杂的过程，根据现场实测和理论分析，复合顶板在巷道开挖后的变形破坏规律为：结构承载调整—结构整体刚度弱化—结构稳定(或失稳)的变形过程[6]。结构承载调整，巷道在开挖后复合顶板由原来的三向应力状态突然变为双向应力状态，顶板岩层应力释放并产生一定量的下沉，如图1中的OA段；结构刚度弱化，软弱夹层在荷载作用下破坏，降低了复合顶板的整体刚度，使顶板结构弱化，造成巷道顶板发生较大的二次变形，如图1中的AB段；应力调整，复合顶板中其他岩层进行应力调整，产生少量的挠曲变形，如图1中的BC段；结构失稳(或稳定)，若巷道顶板能够承受围岩荷载则经过应力调整后顶板变形趋于稳定，巷道顶板不会失稳破坏，如图1中的CD段；若巷道顶板不能承受围岩荷载则经过应力调整后顶板剧烈变形并失稳破坏，如图1中的C′D′段。

图1 复合顶板变形破坏规律

2 煤巷复合顶板的稳定性分析

2.1 结构承载调整阶段的稳定性分析

煤矿巷道在开挖后会立刻释放应力，顶板由三向受力状态突变为双向受力状态，此时围岩还未发生破坏，顶板产生弹性弯曲。依据经典力学理论，建立如图2所示分析模型，顶板的最大弯矩和最大挠度均发生在巷道中点，见式(1)、(2)。

图2 复合顶板受力模型

(1)

(2)

式中：Mmax—岩梁内部的最大弯矩；δmax—岩梁的最大挠度；q—巷道顶板的荷载；s—岩梁的跨度；E—岩梁的弹性模量；h—岩梁的厚度；[δ]—岩梁的最大容许挠度。

若δmax≥[δ]，则巷道顶板产生明显裂纹，即顶板破坏；

若δmax<[δ]，则顶板不会产生裂缝，顶板在围岩压力作用下继续变形。

因此，在结构承载调整阶段，顶板由于从三向受力状态突然变为两向受力状态会在很短时间内产生少量的弹性变形，根据现场实测发现这种变形一般不会导致顶板发生失稳破坏。

2.2 结构刚度弱化阶段的稳定性分析

在经过结构承载调整后，巷道顶板中的各岩层继续受力，进入结构整体刚度弱化阶段。在这一阶段，顶板持续变形，导致围岩整体强度大幅度降低。围岩整体强度降低的实质是软弱夹层的破坏。由于软弱夹层自身强度低，因此，顶板中的软弱夹层主要产生拉剪破坏，对于拉剪破坏，采用断裂力学方法来进行稳定性分析。

建立图3所示力学分析模型，并对其进行分解，如图4所示。

图3 软弱夹层受力模型

图4 软弱夹层应力强度因子计算模型

将图3所示的力学模型，分解成图4所示模型的2部分[7]，图4(a)的应力强度因子见式(3)。

(3)

对于图4(b)的应力强度因子Kb=0。故对于图3所示的模型其应力强度因子见式(4)。

(4)

式中：K—软弱夹层的应力强度因子；Kc—软弱夹层的极限应力强度因子；a—软弱夹层分析模型的边长。

若K

若K≥Kc则软弱夹层破坏，顶板中的其他岩层在荷载作用下继续变形。

通过分析可知，巷道顶板软弱夹层主要承受垂直方向的压缩应力和水平方向的拉伸应力。巷道开挖后，软弱夹层会出现裂纹，正是这些裂纹在围岩压力作用下的扩展，才导致软弱夹层破坏。

因此，在刚度弱化阶段，根据破坏准则，若软弱夹层不发生破坏，复合顶板就不会发生整体刚度的弱化，巷道在开挖后通过结构承载调整就能保证稳定；若软弱夹层破坏，则复合顶板的整体刚度降低，导致顶板在短时间内产生剧烈变形，这是复合顶板破坏的主要原因。

2.3 应力调整阶段复合顶板其他岩层稳定性分析

在软弱夹层破坏后，顶板中的岩层仍然具有承载力，在荷载作用下进行应力调整，经过调整，如果顶板能够承受围岩荷载，则巷道稳定，否则巷道失稳。在这一阶段，巷道中其他岩层的破坏是始于顶板中的第一层岩层的，在第一层破坏后，其他岩层也会发生类似的变形破坏，因此以顶板中的第一层岩层为分析对象，采用板壳理论来进行分析。

为了便于分析，将顶板岩层简化为平面变形连续板，在岩层未破坏前，根据弹性薄板理论并结合实际情况假定如下：

(1)岩层为弹性状态的连续板；

(2)由于煤巷的长度远大于其跨度，假定顶板处于平面应变状态。取走向(y方向)为单位长度进行分析，建立图5、图6所示分析模型[8]，其中x轴为巷道跨度方向，z轴为顶板岩层高度，t为板厚。

图5 顶板模型坐标图

图6 顶板受力示意图

(3)纵向荷载Px沿板厚方向不变，Nx=tσx，Nx为板沿纵向的压(拉)力。

通过薄板理论的分析和计算可知顶板的挠度表达式[8]

(5)

若ω<[ω]，则岩层稳定；若ω≥[ω]，则岩层失稳。

在经过结构承载调整后，若顶板能够承受围岩荷载，则巷道稳定；若顶板不能承受围岩荷载，则顶板失稳破坏。

因此，我们在巷道支护中要充分认识到复合顶板的变形破坏规律和各阶段变形的破坏准则，特别是在刚度弱化阶段，采取措施增强巷道整体刚度(比如在这一阶段进行锚杆支护等)，提高巷道抵抗纵向荷载的能力，保证巷道的安全。

3 工程实例

某煤矿巷道埋深为480～500 m，巷道顶煤厚为2.5 m(顶煤中含有2层泥质夹矸)，顶煤上部是6 m厚砂岩，该巷道为典型的复合顶板结构，巷道顶板的物理力学参数见表1。巷道断面尺寸为5.6 m×3.6 m，顶板拟采用锚杆支护，锚杆参数φ18 mm×3 100 mm，间排距800 mm×1 000 mm。顶板所受垂直方向自重应力大小为185.75 kN/m2，水平方向构造应力为145.73 kN/m2。根据文献[9]可知巷道在开挖后的最大变形不得超过15 mm，累计变形不得超过65 mm。