1、IV類、V類圍巖頂板離層特征及離層臨界值研究應用1、課題的提出隨著采深的增加，巷道圍巖的壓力也隨之增大，目前850 水平工作面埋深超過千米，巷道圍巖逐漸呈現軟巖特征，圍巖變形大，給巷道支護帶來了極大的難題，雖然煤巷錨桿支護具有許多優勢， 同時也存在一個突出的缺點：頂板的破壞失穩具有突發性，且冒落規模比較大，因而更具危害性。 只有完善錨桿支護監測才能確保錨桿支護巷道的安全可靠性，目前錨桿支護監測內容很多，但監測頂板離層、變形破壞、預防頂板冒落是最重要的內容之一， 為此我礦對IV類V類圍巖巷道安裝頂板離層指示儀，然后建立電子檔案管理，通過電子檔案資料分析其頂板運動規律，從而掌握巷道頂板錨固內錨固外

2、的離層量，通過頂板離層錨固范圍內、外的離層量計算出了各煤層頂板離層臨界值， 當巷道頂板離層接近臨界值時，我們對巷道頂板采取針對性的支護措施，從而為礦井安全生產提供了有利的保障。2、研究的目的分析影響頂板離層的因素。直接頂的物理力學特征與離層的關系。采礦活動對頂板離層的影響。確定煤巷不同巖性頂板的離層界限值。掌握離層特征，為支護設計，現場應用頂板提供科學依據。3、頂板離層監測手段根據我礦IV類V類圍巖巷道頂板結構特點，頂板巖性、厚度、節理發育和膠結等地質條件，按照實際監測需要，確定整體上布置頂板離層指示儀進行巷道離層監測，特殊地段可以多安裝頂板離層指示儀，從而更加準確的掌握頂板運動變化規律。3.

3、1 頂板離層指示儀型號、特點、用途型號：采用LBY-3型頂板離層指示儀。特點：該儀器的主要特點是，儀器可以測量錨桿支護巷道頂板兩個范圍內的離層值，即錨桿錨固范圍內外的離層；離層顯示窗貼有反光膜標尺，離層顯示明顯、直觀。頂板離層指示儀用途主要用于測量巷道6m錨固范圍內及錨固范圍外的頂板離層量，適用于錨桿支護的巷道及需測量頂板位移量的工作面。為煤礦工程技術人員和監測工作人員提供確定錨桿的支護技術，了解所使用錨桿的合理性、經濟性而需要的科學依據。從而有效地防止頂板冒落事故的發生，確保煤礦安全生廣。3.2 頂板離層指示儀安裝儀器安裝范圍按照集團公司錨桿支護技術管理規定，我礦IV類V類圍巖煤巷半煤巷錨桿

4、支護巷道均要安 設頂板離層指示儀監測。儀器安裝距離根據集團公司有關規定，各煤層巷道每 80米安裝一臺頂板離層指示儀。復合頂板應力集中區 等特殊地段跟據現場條件縮小間距安設，安設初始位置距迎頭不超過15米，杜絕漏安和超距離安裝。儀器安裝方法由區隊負責在巷道頂板兩鋼帶之間的中間位置打眼， 鉆孔27mm深6米，由防沖辦專人安設, 深基點安裝在6米處，淺基點安裝在錨固范圍內端頭位置， 按正規操作安設好儀器。具體安裝見頂 板離層指示儀安裝圖圖1-審基點早I 宮 0009T外測筒內測筒頂板離層指示儀安裝示意團圖14、頂板離層分析4.1 、影響頂板離層的因素分析地質條件對頂板離層的影響對于層狀巖層頂板結構，

5、巖石硬度，分層厚度，膠結程度對頂板離層都會產生影響。頂板巖層的物理力學性質對離層的影響觀測表明離層一般發生在每一分層之間的交界面上，因此，層狀巖層弱面是頂板開始發生離層的位置，隨著巷道掘出時間的增長，頂板離層量有增大趨勢，說明巖石強度的衰減對層狀破碎頂板離層起到非常重要的作用。采礦活動對頂板離層的影響采礦活動造成巷道應力增大，加巷道周邊應力劇烈變化造成頂板離層增加迅速。支護參數對頂板離層的影響支護參數不合理，不能有效控制圍巖變形，也容易導致頂板離層。4.2 頂板離層特性復合頂板呈明顯層狀分布，且有弱面膠結比較差，破壞由下向上發展，開始形成離層。擴容特性明顯，節裂、裂隙、裂紋、張開、出現新裂紋導

6、致巖體體積增大，擴容膨脹，發生離層。巷道最大離層是位于巷道頂板的中部。5、巷道頂板離層界限值研究確定5.1 頂板離層概念頂板離層是指巷道服務期內頂板巖層中一點與其正上方一定深度巖層中某點的相對位移量，可稱其為廣義頂板離層。在實際應用中一般將廣義的頂板離層劃分為錨桿錨固范圍內頂板離層和錨固范圍外頂板離層，由此可以看出廣義頂板離層與“頂板離層”字面含義是不同的。 “頂板離層”字面理解為頂板巖層中各分層層面間的相對分離，可稱其為狹義頂板離層。廣義頂板離層有著更廣闊的內含，它除包括狹義的“頂板離層”外，還包含頂板巖層彈塑變形、擴容變形、碎脹變形、折曲變形等。頂板離層界限是指錨桿支護巷道在正常使用的情況

7、下所允許的頂板離層的范圍。超過這一范圍意味著頂板將處于非穩定狀態之中，應該更加密切注意頂板動態，及時采取相應的補強措施，否則頂板離層可能會進一步加劇，最終導致巷道的失穩破壞。須明確的是，頂板離層界限并非頂板失穩冒落時的離層極限值。離層極限值很難確定，因為頂板冒落發生在瞬間，受多種因素的影響，隨機性很大， 難以捕捉。另外巷道頂板失穩冒落是我們盡力避免發生的，頂板離層極限值在工程上也沒有太大的實際意義。在這里我們只研究頂板離層界限值。5.2 離層指標選取：頂板離層與許多因素有關，并且有非常復雜的相關關系。確定離層界限與各影響因素，不可能把全部因素包含在內，根據影響的程度進行取舍，選取其中一些基本指

8、標做為確定頂板離層界限的根據。選取指標的兩條基本原則指標是影響頂板離層的主要因素選取的指標容易從現場獲取，方便現場使用，據此，選取了下面8項指標，其中6、H、B、Q為基本指標，Kr、心、入、Ms為修正指標，1）頂板離層強度6 :取頂板上方相當于巷道寬度范圍內各巖層單軸抗壓強度的加權平均值。2）頂板完整性系數 Kr：巖體的完整性對其整體強度影響很大，工程上一般用煤巖完整性系數 表示，可按表1選取表1圍巖完整性系數參考指標節理間距（mm分層厚度（項類別完整性系數&32圍巖整體性很好0.751-31-2圍巖整體性較好0.650.4-10.3-1圍巖整體性一般0.550.1-0.40.05-0.3圍巖

9、整體性較差0.450.10.05圍巖整體性很差0.353）埋藏深度H:表示原始垂向應力的大小，等于地表水平標高與巷道所在水平標高的差值。4）應力集中系數小：反映了采動引起集中應力的影響，與護巷煤柱尺寸及上下臨近開采層的 影響有關，可根據實際經驗取 心=0.5-6 ,單一煤層，實體煤中開巷 心=15）側壓系數入：水平應力與垂直應力的比值，根據地應力實側結果給出，沒有地應力測試的情況下，根據經驗取入=0.3-5 , 一般可取入=16）巷道寬度B:取巷道腰線位置的設計寬度。7）錨桿支護強度Q:單位面積上的支護力。8）錨固系數Ms錨固長度對錨桿支護效果的影響，用錨固段長度C與錨桿長度L的比值表示。5.

10、3 頂板離層計算公式根據煤科院巷道室研究成果，結合現場工程經驗，建立頂板離層界限的函數形式：Ud = + &2+式中：a1、a2、a3為待定系數加入修正指標上式即為：山3K&H +_+ a3/ Kr &Ms Q加入安全系數，對上式的待定系數進行回歸分析，錨周段內頂板離層的計算公式：Ud = 0. 764-=-+4.力7 B - 49 163/K.占錨周段外頂板離層界限計算公式:Ud=0. -1H_1 502 B +36. 681說明：式和式是比較典型的頂板巖層條件下，頂板離層界限的計算公式，還需在生產中進一步的檢驗和修正，在地質條件變化時需加一定的安全系數。5.4 確定不同層位頂板離層界限值首

11、先，我們利用公式和式對頂板離層界限進行理論計算，得到錨固范圍內和錨固范圍外頂板離層界限值，然后在主要巷道設觀測站，觀測到頂板離層值和頂板離層極限值。頂板離層極限值是致使巷道失穩的頂板離層值，出現下列條件之一，即表明巷道失穩：巷道頂板屈服范圍大于B/2。錨桿受力超過其破斷力。頂板發生大范圍冒落或滑移。根據頂板離層計算公式及現場生產技術條件工程實踐經驗綜合分析，得到我礦不同層位頂板離層界限值。表2我礦不同層位頂板離層界限值層位頂板離層界限錨固范圍內離層界限錨固范圍外離層界限二層120mm20mm四層150mm22mm一層100mm18mm6、各層位頂板離層監測應用分析6.1 各煤層巷道頂板離層數據

12、表巷道測筒編號支護材ST j ,一-內測筒外測筒總離層量1202E運輸巷螺紋鋼錨桿曷層里mm13127158速度mm/d2.150.442.59淮北錨桿曷層里mm175067速度mm/d0.270.821.09局預緊力錨桿曷層里mm102535速度mm/d0.160.410.571404W1輸巷局預緊力錨桿曷層里mm56460速度mm/d1.120.081.241112W1輸巷螺紋鋼錨桿曷層里mm3710速度mm/d0.070.160.23mm :量層離OOOOOOOO 4 2 0 8 6 4 2T- T- T-T一螺紋鋼外筒淮北錨桿內筒螺紋鋼內筒L高強錨桿外筒淮北錨桿外筒一高強錨桿內筒411

13、12庶輸巷頂板離層觀測數據曲線圖錨固內一錨固外 總離層量1202E1輸巷三種錨桿支護段頂板離層曲線圖76.2 各煤層巷道觀測數據分析通過各煤層巷道離層最大的離層量來看，二層巷道離層量比四層和十一層巷道要大的多，因為二層巷道頂板為復合頂板，（具體見二層頂板離層柱狀圖圖 2）,四層巷道頂板一般為砂巖特殊地 段頂板為頁巖，十一層巷道頂板一般為砂質頁巖。在1202E運輸巷三種支護段的頂板離層指示儀的觀測數據及曲線圖可以看出，離層量大小分，螺紋鋼錨桿支護段的離層量淮北錨桿支護段離層量高預緊力錨桿的離層量，并且螺紋鋼錨桿支護地段頂板離層量及離層速度非常之大。通過鉆頂板離層指示儀安裝孔可知，該巷道頂板直接

14、頂頁巖厚2ml其上為0.9m的煤，再上為1m頁巖，具體見柱狀圖。止匕巷道錨桿的長度為 2.5m,錨 固端不能錨固在穩定的巖層之內， 而是錨固在煤體內。當巷道受到水平應力和垂直應力作用時， 巷 道在錨固范圍內外兩巖層與煤層的接觸面發生離層，因此造成巷道錨固范圍內、外離層較大。1202E運輸巷頂板離層柱狀圖圖2二層煤巷道直接頂多數為頁巖，頁巖性脆，所以二層煤巷道在開挖過程中破壞了圍巖連續性， 使頁巖的裂隙進一步擴展，安裝錨桿后，雖然將錨固范圍內的巖層進行了有效支護。 由于錨桿支護 本身是讓壓支護，螺紋鋼錨桿又具有延展性，圍巖在重新分布過程中，巷道周邊圍巖產生明顯的應 力集中現象，重新分布的應力沒有

15、超過巖體的強度，圍巖只產生變形和位移，反之，如果應力超過巖體強度，圍巖就要破壞。因此圍巖在重新分布過程中，造成錨固范圍內的巖層裂隙繼續增大，致使錨固范圍內出現離層。因錨桿安裝時給錨桿足夠的預緊力， 所以將錨固范圍內的離層穩定在一定 數值范圍內。二層煤巷道頂板為復合頂板，容易在軟硬巖層的接觸面或軟弱面發生離層。 通過二層煤巷道鉆 安裝孔時所揭露的煤巖層可知，除直接頂為砂巖的個別巷道外，二層煤巷道多數頂板為頁巖平均厚 約0-3米，所以錨桿端部不能錨固在堅硬的砂巖中。 巷道開挖后，應力重新分布使巷道周邊圍巖產 生應力集中現象，當巷道圍巖產生的應力超過巖體的強度時， 巷道頂板容易在軟硬巖的夾層的軟弱

16、面發生離層。因該煤層巷道屬復合頂板，巷道上覆軟硬巖層的接觸面粘結力不大， 巷道頂板極易發 生離層，從而造成巷道頂板錨固范圍外離層。通過四層煤巷道觀測數據可知，因四層煤巷道頂板多數為砂巖，所以四層煤巷道頂板離層量較 小，其原因主要是與四層煤頂板的巖性有關。1404W運輸巷頂板雖然是砂巖，但是頂板存在層狀巖 7層，因此也屬于復合頂板的范疇，因此該巷道頂板離層量較大。通過十一層煤巷道頂板離層數據分析比較， 錨周范圍內與錨固范圍外離層量相差不大。 從該巷 道頂板離層觀測數據可知，該煤層頂板離層基本沒有超過頂板離層臨界值。其原因該煤層巷道直接頂為砂質頁巖，厚在6米以上。離層指示儀深基點與淺基點都固定在砂

17、質頁巖范圍內。由此可見， 錨固范圍內與錨固范圍外離層是在同一巖層內。因為十一層是同一種物質的巖性，沒有弱面存在， 因此該煤層巷道頂板穩定，離層量不大。只是在巷道開挖階段，利用錨桿支護時破壞了巷道圍巖應 力平衡，錨周范圍內的圍巖產生裂隙出現很小的離層。但不會對巷道安全生產構成威脅。6.3 交岔口頂板離層數據分析交岔口頂板離層數據表煤層巷道測筒編號支護材料一一、內測筒外測筒總離層量二層1202E運輸巷螺紋鋼錨桿巖層里mm13846184速度mm/d1.70.572.27四層3418E回風巷高強錨桿巖層里mm322658速度mm/d0.430.350.78十一層11107E運輸巷高強錨桿巖層里mm1

18、0717速度mm/d0.220.150.37131202電輸巷交岔口頂板離層曲線圖150100500 1天數內筒外筒總變化量2003418EU風巷交岔口頂板離層觀測數據曲線圖15 414601362126 d16一外測筒 內測筒 總離層量EE :量層離通過安設在巷道交叉口處的頂板離層指示儀觀測數據及曲線圖可知，其頂板離層量比同條巷道不受構造影響的頂板離層量及離層速度都大， 三岔口處頂板離層較大的原因是當第一條巷道開挖 后，破壞了圍巖的應力平衡狀態，引起應力重新分布，巷道圍巖應力狀態由原來的三向應力狀態轉 化為二向應力狀態，水平應力向頂板巖層轉移，垂直應力向兩幫煤體轉移。頂板下位巖層主要受水平應

19、力的作用。因巷道交叉口處頂板的對角線跨度比任何單一巷道的跨度都大，頂板在水平應力的 作用下，巖層很容易失穩破壞，從而造成頂板離層較大的原因。6.4 頂板離層預警提示1404W運輸巷靠近大斷層附近施工，且頂板含有多層弱面的復合頂板，頂板管理難度加大，在這種情況下，通過離層指示儀實施監測記錄頂板離層，以及發生發展過程，對控制頂板離層起到了很好的作用。如施工過程中，離層指示儀顯示數據，錨周范圍外達到了30mm超過頂板離層界限值，為此，現場制定措施，補打錨桿和錨索，從而控制了頂板進一步離層，避免了巷道失穩和頂板事故。7、效果評價頂板離層量牌板、記錄本數據顯示，為現場技術人員提供頂板動態信息，直觀、 簡

20、單、 方便、易懂，實用性強。巷道電子檔案和頂板離層動態數據庫的建立。為掌握每條巷道的頂板動態信息打下基礎。頂板離層界限值的確定，為頂板離層預警提示提供了科學依據。8、結論與建議8.1 揭示頂板離層規律煤巷多為回采巷道，其位置不容選擇，且受回采動壓影響，加上煤層一般比巖層軟弱，賦存條件一般比較復雜，因此煤巷錨桿支護比巖巷要困難的多。通過在我礦安裝頂板離層指示儀，獲得大量的數據，從有針對性二、四、十一層煤巷道頂板離層指示儀觀測數據及曲線圖分析表明，得出以下規律通過各煤層巷道的離層指示儀的觀測數據分析可知，得出結論四層和十一層巷道頂板離層量較小。從而說明了該煤層巷道頂板基本穩定，對安全生產不夠成威脅

21、。二層、四層、十一層巷道相比較，二層巷道頂板離層量要大一些。受地質條件影響的巷道頂板離層很大。巷道交岔口處的頂板離層量大。通過在各煤層巷道安裝的頂板離層指示儀觀測數據的分析，掌握了各煤層巷道在不同圍巖條件下頂板離層、發展、穩定的全過程以及各階段的離層量和時間，確定巷道頂板穩定期，為支護提供了科學依據。錨桿支護設計和安打質量是影響頂板離層的主觀因素，相同的支護參數，圍巖條件，離層量卻有較大的差別，主要是取決支護設計錨桿施工質量。完整頂板離層是由下往上逐漸發展的，復合頂板離層是由弱面首先開始離層。二層煤巷道屬復合頂板，復合頂板在巷道開挖后，圍巖變形很小時，就出現開裂、離層、 滑動、裂紋擴展和松動等，使圍巖強度大大弱化。特別當巷道受高水平地應力時更容易造成復合頂板離層。巷道交叉口處頂板的對角線跨度比任何單一巷道的跨度都大，經研究表明，交叉口處的巷道更易發生頂板離層。所以為了保證巷道交叉口頂板安全，一定加強交叉口處頂板控制。確保巷道交叉口處的安全。從各煤層巷道的離層量及離層數值來看，多數巷道頂板離層首先從錨固范圍內出現。說明煤巷錨桿支護成敗的關鍵在于施工質量。嚴格的施工管理是實現優質、高效、 安全、 經濟的重要保證。為保證各煤層巷道正常安全生產，需要進一步加強施工組織管理、施工技術管理、施工質量管理。為此在巷道頂板離層觀測時，特別關注復合