1、专题部分综掘煤巷层状复合顶板的离层机理及其控制技术摘要：矿井的回采巷道的安全生产有着重要作用，它保证工作面回采顺利进行。本文主要研究煤矿回采工作面巷道层状复合顶板的离层机理和控制支护技术研究。本文通过研究各种产生离层的原因，建立了煤巷复合顶板的受力模型，并分析了该模型的受力状态，得出顶板离层的机理。通过复合顶板支护巷道与无支护巷道的对比简图，分析得出不同支护方式的作用机理。根据煤巷复合顶板的变形破坏规律和不同支护形式的作用机理，研究得出煤巷复合顶支护技术解决办法。关键词：回采巷道；顶板离层；巷道稳定性；控制技术The separation mechanism of fully mechaniz
2、ed coal roadway roof layered composite and its control technologyAbstract: the safe production of coal mine roadway has an important role, it ensures the smooth running of the working face. This paper mainly studies the coal mining roadway surface layered composite roof separation mechanism and supp
3、orting technology research. In this paper, through the study of the various separation, the establishment of the coal roadway with compound roof by force model, and the model of stress state analysis, it is concluded that the mechanism of roof abscission layer. The composite roof roadway and support
4、 of roadway comparison, analysis of different supporting mechanism. According to the deformation and failure law of compound roof of coal roadway and the action mechanism of different support form, the solution method of compound roof support technology in coal roadway is studied in the paper.Keywor
5、ds: roadway roof separation; roadway; stability; control technology1绪论1.1引言煤炭资源对于我国是一种重要的原料，是我国主要的重要能源之一。煤炭可以成为我国主要能源之一的局面会一直持续到二十一世纪中期。采煤矿的过程中，要挖掘巷道，开挖巷道后，巷道四周岩体发生破坏。我们需要研究巷道顶板，因为在我国巷道顶板事故时有发生，研究顶板从而减少事故的发生。巷道变形有很多种形式，顶板离层就是其中之一。为了减少巷道顶板事故的发生，我们就必须要研究煤层巷道的离层机理及其控制技术。因为井下越来越多的采用煤层大巷和煤层顺槽布置，该种布置具有以下特
6、点：巷道两帮和顶板底板都是稳定性较差的煤层，松软易垮落，支护难度比岩巷要大，这就需要更好的支护形式用以煤巷布置。传统的点柱式锚杆无法满足这种煤巷的支护要求，所以我国出现了一下更完善的支护方法如：锚杆、锚索、锚杆索多种联合支护方式，用以维护煤层巷道顶板，不让其易垮落，从而保证工人在井下的生命安全。1.2国内外研究现状1.2.1复合顶板离层机理研究现状巷道广义的顶板离层概念是由北京煤炭科学研究总院鞠文君提出的，广义顶板离层认为离层除了狭义上的离层即岩层中各个层面的分离外，还有顶板的岩层弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形及折曲变形等。锚杆式离层观测仪是邢台矿务局研究发明的产品。有着和顶板离层指示仪相同的
7、观测效果。这里就要提到顶板里层指示仪，这是一种用来及时准确进行顶板离层监测的常规仪器，进行日常的离层监测可以防止顶板离层失稳，这是一种基本的措施。张农针对我国煤矿广泛赋存的不稳定复合顶板煤层巷道围岩的控制的理论和关键上的技术问题，以结构复杂的离层破碎型煤巷复合顶板综合控制技术上的难题为突破口，系统的研究了煤矿巷道复合顶板的稳定机理和控制技术，提出了顶板离层控制机理和新型高强度的围岩强化技术。美国学者s.s彭撰写的煤矿地层控制中通过压力拱理论研究发现工作面采空区上面的岩体处于卸压状态。会出离层现象。作者研究了覆岩三个移动带，得出裂缝带中的煤层会产生离层和断裂。1.2.2煤巷复合顶板支护技术研究现
8、状如今，巷道复合顶板的锚杆支护设计方法基本上可归为以下三类：第一类是工程类比法，即进行简单的经验公式设计；第二类是理论计算法，即采运用各种不同的支护理论对巷道复合顶板进行配套支护设计；第三类是数值分析设计法等。目前我国煤矿巷道的复合顶板的主要支护方式是锚杆支护、锚梁网支护、锚梁网支护加锚索支护以及锚注支护等。但是开采深度在不断增加及地质条件的越来越复杂，单一的锚网索支护方式已不能满足煤层巷道的复合顶板支护了。所以，为了确保复合顶板的安全，我们必须要摸索新的支护形式，如：喷射混凝土支护、锚喷混凝土加金属网支护等，在这些新的支护形式中，锚杆与围岩成为锚岩加固体，喷射混凝土及金属网封闭再加补强围岩；
9、锚杆加钢筋梯子梁、加钢带等，这样的支护方式是让多根锚杆组合成为一体，造成群锚效应，从而提高了锚岩加固体支护强度，所以维护围岩的稳定性；锚杆锚索或锚杆锚索金属网支护，这类支护是近期煤矿巷道中较多应用的支护方式之一，通过锚杆来加固浅部松动岩层，锚索加固深部冒落岩层。2综掘煤巷复合顶板离层变形破坏机理研究2.1煤巷复合顶板的特征及其变形破坏形式 复合顶板定义至今也没有统一，大多数认为是在层状岩体中位于将要开采煤层之上，具有一层或多层物理力学性质较弱的岩层，一般夹有煤层，各岩层间的粘结能力较低，节理裂隙较发育，整体呈层状的结构。复合顶板与其他形式顶板主要特点区别于顶板岩体中存在物理力学性质较弱的岩层，
10、其在顶板受载荷后极易破坏，导致丧失承担载荷的能力，使顶板受力不均或离层加剧。地下岩体在自然状态中处于自身平衡，各个方向的荷载与应力间都达到平衡的状态。开挖地下巷道使岩体原本的荷载与应力发生变化，不再平衡，巷道围岩产生应力重新分布现象，围岩的形状会变化，有些地方会出现应力集中，出现塑性区。从煤巷复合顶板的变形破坏形式与变形破坏机理来看，可将煤巷复合顶板的变形破坏分为四种类型：顺层滑移，张拉断裂，离层，挤压破坏等。本文主要研究离层破坏的机理及其控制技术。 2.2巷道顶板离层概念及与巷道稳定性之间的关系2.2.1巷道顶板离层的概念巷道顶板离层是指巷道服务年限内顶板岩层中某点与其正上方一定的深度岩层中
11、某点（假定不动）产生相对位移量，除了包含狭义的“顶板离层”外，还包括顶板岩层的弹塑性变形、扩容变形、碎胀变形和折曲变形等，称其为广义顶板的离层。应用于实际中一般将广义的顶板离层划为锚固区内、锚固区外顶板离层。广义顶板离层字面含义不同与“顶板离层”。字面理解“顶板离层”是顶板岩层中各分层层面之间的相对分离，称其为狭义顶板离层。一般我们用的顶板离层仪观测到顶板离层指的只是广义上的顶板离层，而不是各分层层面间的相对分离量。所以，本文的顶板离层指的都是广义顶板离层。2.2.2顶板离层与巷道稳定性之间的关系顶板离层是巷道顶板变形形式的其中之一，对顶板围岩的离层进行研究有利于理解巷道顶板岩层变形、破坏机理
12、。与此同时，更加准确地确定出巷道顶板的离层位置，提供可靠的依据用来进行巷道顶板支护和参数选择。离层和支护，特别是锚固系统间的关系不管是在工程实践或者科研中都已经得到了足够的重视，离层也被普遍用作是对巷道顶板稳定性监测与评价的指标。其被认为是在掘进全锚支护巷道过程中综合监测和日常监测的一项极其重要的内容，并能为了解巷道围岩变形和破坏提供十分重要的参数，同时也是初始设计巷道和确保巷道安全的重要依据。2.3回采巷道顶板离层的各影响因素分析研究有很多致使回采巷道产生离层的因素，除各种地质条件等天然具有的影响因素外，还有在开挖巷道及支护中的技术与管理方面中的主观影响因素。所以，产生巷道顶板离层是多种因素
13、一起综合作用出的结果。如今，国内外学者一般认为顶板离层的影响因素有：地应力、围岩的力学性质、开采深度、围岩结构、巷道断面、侧压系数和支护方式等。2.4综掘煤巷复合顶板离层的理论研究2.4.1由于岩层受拉产生离层巷道顶板岩石破坏主要可分为两类：张拉和剪切。顶板离层可以认为是其中破坏形式的一种。岩层在自重载荷作用产生弯曲时，通过下式确定可以层面上产生的垂直拉应力：式中： 垂直拉应力，N/m2 视密度，N/m3h 下部岩层的厚度，m当岩层某一层面的抗拉强度小于在其垂直方向上的拉应力时，会使该层面产生离层现象，这种情况多数都发生在两种岩层的交界面处。在地下工程中由于岩体内部结构缺陷而产生离层会造成岩石
14、冒落。对于组合梁，当弯曲下沉时，岩层层面上会产生剪应力：式中：S横梁截面的剪应力，N；Iz横梁截面对于中性轴的惯性矩，m4；H上下两层的厚度，m；D层面到中性轴的距离，m。伴随离层现象的加剧，位于下部的岩层产生弯曲，在其横截面上的拉应力也会急剧加大，当大于岩石抗拉强度时，巷道顶板就会发生破坏，如下图1。图1 发生离层的顶板岩层破坏示意图2.4.2由于挠度产生的离层导致巷道顶板离层产生还有其他的原因，由于不同层面的顶板发生弯曲变形的时候，挠度的产生不相同，所以会导致顶板出现离层现象。对于理想的煤巷层状复合顶板，离层是从巷道顶板表面岩层，慢慢的朝顶板深部的岩层发育。示意图如图2。 图2不同挠度产生
15、的离层通过根据材料力学两端固定梁的挠度计算公式，得出梁的挠度：式中:Z上覆岩层和自重产生的荷载，N/m；EI岩石梁截面抗弯刚度，Nm2；I梁跨度一半长，m。通过计算，我们发现通过上下岩层梁产生的挠度不同，可以用来确定离层大小。2.4.3由于水平应力产生的离层处于高水平应力下，水平应力超过垂直应力的23倍，最高可有59倍，所以其是影响巷道稳定性的重要因素之一。对于软弱层状巷道的顶板。顶板的破坏范围和方式在不同水平应力下有着极其明显的影响。在比较理想的顶板条件下，前人的数值模拟实验结果发现：当侧压系数不超过1.8时。顶板岩层会发生整体下沉，并且会形成自然平衡拱，所以不易出现离层现象。当侧压系数超过
16、1.8时，位于顶板的下部岩层会朝下产生位移，位于上部的岩层鼓起，极易产生离层现象。如下图3。 图3水平应力作用下产生的离层2.4.4由于岩层界面的力学特征产生的离层岩层界面是层状复合顶板发生离层现象的另外一个主要原因。一般情况下会有3个因素使得岩层界面发生离层现象：界面的强度；界面两边岩层的几何的参数和材料的岩石力学特性；载荷的条件。在某些界面中不容易发生破坏。例如：在两个力学特征比较接近坚硬的岩层界面，这是由于裂隙会直接穿过界面继续发育。见图4。像这样的情况，在界面的位置就不会发生离层现象了。如果软弱界面受力的作用后，裂隙会沿弱面发育，所以就会在界面出发生离层现象。如下图4。在对沉积岩层的研究，发现在限制垂直裂隙发育方向的方面
