顶板离层特征及离层临界值研究应用.docx
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顶板离层特征及离层临界值研究应用
Ⅳ类、Ⅴ类围岩顶板离层特征及离层临界值研究应用
1、课题的提出
随着采深的增加，巷道围岩的压力也随之增大，目前－850水平工作面埋深超过千米，巷道围岩逐渐呈现软岩特征，围岩变形大，给巷道支护带来了极大的难题，虽然煤巷锚杆支护具有许多优势，同时也存在一个突出的缺点：
顶板的破坏失稳具有突发性，且冒落规模比较大，因而更具危害性。
只有完善锚杆支护监测才能确保锚杆支护巷道的安全可靠性，目前锚杆支护监测内容很多，但监测顶板离层、变形破坏、预防顶板冒落是最重要的内容之一，为此我矿对Ⅳ类Ⅴ类围岩巷道安装顶板离层指示仪，然后建立电子档案管理，通过电子档案资料分析其顶板运动规律，从而掌握巷道顶板锚固内锚固外的离层量，通过顶板离层锚固范围内、外的离层量计算出了各煤层顶板离层临界值，当巷道顶板离层接近临界值时，我们对巷道顶板采取针对性的支护措施，从而为矿井安全生产提供了有利的保障。
2、研究的目的
⑴分析影响顶板离层的因素。
⑵直接顶的物理力学特征与离层的关系。
⑶采矿活动对顶板离层的影响。
⑷确定煤巷不同岩性顶板的离层界限值。
⑸掌握离层特征，为支护设计，现场应用顶板提供科学依据。
3、顶板离层监测手段
根据我矿Ⅳ类Ⅴ类围岩巷道顶板结构特点，顶板岩性、厚度、节理发育和胶结等地质条件，按照实际监测需要，确定整体上布置顶板离层指示仪进行巷道离层监测，特殊地段可以多安装顶板离层指示仪，从而更加准确的掌握顶板运动变化规律。
3.1顶板离层指示仪型号、特点、用途
⑴型号：
采用LBY-3型顶板离层指示仪。
⑵特点：
该仪器的主要特点是，仪器可以测量锚杆支护巷道顶板两个范围内的离层值，即锚杆锚固范围内外的离层；离层显示窗贴有反光膜标尺，离层显示明显、直观。
⑶顶板离层指示仪用途
主要用于测量巷道6m锚固范围内及锚固范围外的顶板离层量，适用于锚杆支护的巷道及需测量顶板位移量的工作面。
为煤矿工程技术人员和监测工作人员提供确定锚杆的支护技术，了解所使用锚杆的合理性、经济性而需要的科学依据。
从而有效地防止顶板冒落事故的发生，确保煤矿安全生产。
3.2顶板离层指示仪安装
⑴仪器安装范围
按照集团公司《锚杆支护技术管理规定》，我矿Ⅳ类Ⅴ类围岩煤巷半煤巷锚杆支护巷道均要安设顶板离层指示仪监测。
⑵仪器安装距离
根据集团公司有关规定，各煤层巷道每80米安装一台顶板离层指示仪。
复合顶板应力集中区等特殊地段跟据现场条件缩小间距安设，安设初始位置距迎头不超过15米，杜绝漏安和超距离安装。
⑶仪器安装方法
由区队负责在巷道顶板两钢带之间的中间位置打眼，钻孔Φ27mm、深6米，由防冲办专人安设，深基点安装在6米处，浅基点安装在锚固范围内端头位置，按正规操作安设好仪器。
具体安装见顶板离层指示仪安装图图1
4、顶板离层分析
4.1、影响顶板离层的因素分析
⑴地质条件对顶板离层的影响
对于层状岩层顶板结构，岩石硬度，分层厚度，胶结程度对顶板离层都会产生影响。
⑵顶板岩层的物理力学性质对离层的影响
观测表明离层一般发生在每一分层之间的交界面上，因此，层状岩层弱面是顶板开始发生离层的位置，随着巷道掘出时间的增长，顶板离层量有增大趋势，说明岩石强度的衰减对层状破碎顶板离层起到非常重要的作用。
⑶采矿活动对顶板离层的影响
采矿活动造成巷道应力增大，加巷道周边应力剧烈变化造成顶板离层增加迅速。
⑷支护参数对顶板离层的影响
支护参数不合理，不能有效控制围岩变形，也容易导致顶板离层。
4.2顶板离层特性
⑴复合顶板呈明显层状分布，且有弱面胶结比较差，破坏由下向上发展，开始形成离层。
⑵扩容特性明显，节裂、裂隙、裂纹、张开、出现新裂纹导致岩体体积增大，扩容膨胀，发生离层。
⑶巷道最大离层是位于巷道顶板的中部。
5、巷道顶板离层界限值研究确定
5.1顶板离层概念
顶板离层是指巷道服务期内顶板岩层中一点与其正上方一定深度岩层中某点的相对位移量，可称其为广义顶板离层。
在实际应用中一般将广义的顶板离层划分为锚杆锚固范围内顶板离层和锚固范围外顶板离层，由此可以看出广义顶板离层与“顶板离层”字面含义是不同的。
“顶板离层”字面理解为顶板岩层中各分层层面间的相对分离，可称其为狭义顶板离层。
广义顶板离层有着更广阔的内含，它除包括狭义的“顶板离层”外，还包含顶板岩层弹塑变形、扩容变形、碎胀变形、折曲变形等。
顶板离层界限是指锚杆支护巷道在正常使用的情况下所允许的顶板离层的范围。
超过这一范围意味着顶板将处于非稳定状态之中，应该更加密切注意顶板动态，及时采取相应的补强措施，否则顶板离层可能会进一步加剧，最终导致巷道的失稳破坏。
须明确的是，顶板离层界限并非顶板失稳冒落时的离层极限值。
离层极限值很难确定，因为顶板冒落发生在瞬间，受多种因素的影响，随机性很大，难以捕捉。
另外巷道顶板失稳冒落是我们尽力避免发生的，顶板离层极限值在工程上也没有太大的实际意义。
在这里我们只研究顶板离层界限值。
5.2离层指标选取：
顶板离层与许多因素有关，并且有非常复杂的相关关系。
确定离层界限与各影响因素，不可能把全部因素包含在内，根据影响的程度进行取舍，选取其中一些基本指标做为确定顶板离层界限的根据。
选取指标的两条基本原则
⑴指标是影响顶板离层的主要因素
⑵选取的指标容易从现场获取，方便现场使用，据此，选取了下面8项指标，其中δ、H、B、Q为基本指标，KR、Kδ、λ、Ms为修正指标，
1）顶板离层强度δ：
取顶板上方相当于巷道宽度范围内各岩层单轴抗压强度的加权平均值。
2）顶板完整性系数KR：
岩体的完整性对其整体强度影响很大，工程上一般用煤岩完整性系数表示，可按表1选取。
表1围岩完整性系数参考指标
节理间距（mm）
分层厚度（m）
类别
完整性系数KR
>3
>2
围岩整体性很好
0.75
1-3
1-2
围岩整体性较好
0.65
0.4-1
0.3-1
围岩整体性一般
0.55
0.1-0.4
0.05-0.3
围岩整体性较差
0.45
<0.1
<0.05
围岩整体性很差
0.35
3）埋藏深度H：
表示原始垂向应力的大小，等于地表水平标高与巷道所在水平标高的差值。
4）应力集中系数Kδ：
反映了采动引起集中应力的影响，与护巷煤柱尺寸及上下临近开采层的影响有关，可根据实际经验取Kδ＝0.5-6，单一煤层，实体煤中开巷Kδ＝1
5）侧压系数λ：
水平应力与垂直应力的比值，根据地应力实侧结果给出，没有地应力测试的情况下，根据经验取λ＝0.3-5，一般可取λ＝1
6）巷道宽度B：
取巷道腰线位置的设计宽度。
7）锚杆支护强度Q：
单位面积上的支护力。
8）锚固系数Ms：
锚固长度对锚杆支护效果的影响，用锚固段长度C与锚杆长度L的比值表示。
5.3顶板离层计算公式
根据煤科院巷道室研究成果，结合现场工程经验，建立顶板离层界限的函数形式：
式中：
a1、a2、a3为待定系数
加入修正指标上式即为：
加入安全系数，对上式的待定系数进行回归分析，锚固段内顶板离层的计算公式：
①
锚固段外顶板离层界限计算公式：
②
说明：
①式和②式是比较典型的顶板岩层条件下，顶板离层界限的计算公式，还需在生产中进一步的检验和修正，在地质条件变化时需加一定的安全系数。
5.4确定不同层位顶板离层界限值
首先，我们利用公式①和②式对顶板离层界限进行理论计算，得到锚固范围内和锚固范围外顶板离层界限值，然后在主要巷道设观测站，观测到顶板离层值和顶板离层极限值。
顶板离层极限值是致使巷道失稳的顶板离层值，出现下列条件之一，即表明巷道失稳：
⑴巷道顶板屈服范围大于B/2。
⑵锚杆受力超过其破断力。
⑶顶板发生大范围冒落或滑移。
根据顶板离层计算公式及现场生产技术条件工程实践经验综合分析，得到我矿不同层位顶板离层界限值。
表2我矿不同层位顶板离层界限值
层位
顶板离层界限
锚固范围内离层界限
锚固范围外离层界限
二层
120mm
20mm
四层
150mm
22mm
十一层
100mm
18mm
6、各层位顶板离层监测应用分析
6.1各煤层巷道顶板离层数据表
巷道
测筒编号
支护材料
内测筒
外测筒
总离层量
1202E运输巷
螺纹钢
锚杆
离层量mm
131
27
158
速度mm/d
2.15
0.44
2.59
淮北
锚杆
离层量mm
17
50
67
速度mm/d
0.27
0.82
1.09
高预紧力锚杆
离层量mm
10
25
35
速度mm/d
0.16
0.41
0.57
1404W运输巷
高预紧力锚杆
离层量mm
56
4
60
速度mm/d
1.12
0.08
1.2
41112W运输巷
螺纹钢锚杆
离层量mm
3
7
10
速度mm/d
0.07
0.16
0.23
6.2各煤层巷道观测数据分析
通过各煤层巷道离层最大的离层量来看，二层巷道离层量比四层和十一层巷道要大的多，因为二层巷道顶板为复合顶板，（具体见二层顶板离层柱状图图2），四层巷道顶板一般为砂岩特殊地段顶板为页岩，十一层巷道顶板一般为砂质页岩。
在1202E运输巷三种支护段的顶板离层指示仪的观测数据及曲线图可以看出，离层量大小分，螺纹钢锚杆支护段的离层量＞淮北锚杆支护段离层量＞高预紧力锚杆的离层量，并且螺纹钢锚杆支护地段顶板离层量及离层速度非常之大。
通过钻顶板离层指示仪安装孔可知，该巷道顶板直接顶页岩厚2m，其上为0.9m的煤，再上为1m页岩，具体见柱状图。
此巷道锚杆的长度为2.5m，锚固端不能锚固在稳定的岩层之内，而是锚固在煤体内。
当巷道受到水平应力和垂直应力作用时，巷道在锚固范围内外两岩层与煤层的接触面发生离层，因此造成巷道锚固范围内、外离层较大。
1202E运输巷顶板离层柱状图图2
二层煤巷道直接顶多数为页岩，页岩性脆，所以二层煤巷道在开挖过程中破坏了围岩连续性，使页岩的裂隙进一步扩展，安装锚杆后，虽然将锚固范围内的岩层进行了有效支护。
由于锚杆支护本身是让压支护，螺纹钢锚杆又具有延展性，围岩在重新分布过程中，巷道周边围岩产生明显的应力集中现象，重新分布的应力没有超过岩体的强度，围岩只产生变形和位移，反之，如果应力超过岩体强度，围岩就要破坏。
因此围岩在重新分布过程中，造成锚固范围内的岩层裂隙继续增大，致使锚固范围内出现离层。
因锚杆安装时给锚杆足够的预紧力，所以将锚固范围内的离层稳定在一定数值范围内。
二层煤巷道顶板为复合顶板，容易在软硬岩层的接触面或软弱面发生离层。
通过二层煤巷道钻安装孔时所揭露的煤岩层可知，除直接顶为砂岩的个别巷道外，二层煤巷道多数顶板为页岩平均厚约0-3米，所以锚杆端部不能锚固在坚硬的砂岩中。
巷道开挖后，应力重新分布使巷道周边围岩产生应力集中现象，当巷道围岩产生的应力超过岩体的强度时，巷道顶板容易在软硬岩的夹层的软弱面发生离层。
因该煤层巷道属复合顶板，巷道上覆软硬岩层的接触面粘结力不大，巷道顶板极易发生离层，从而造成巷道顶板锚固范围外离层。
通过四层煤巷道观测数据可知，因四层煤巷道顶板多数为砂岩，所以四层煤巷道顶板离层量较小，其原因主要是与四层煤顶板的岩性有关。
1404W运输巷顶板虽然是砂岩，但是顶板存在层状岩层，因此也属于复合顶板的范畴，因此该巷道顶板离层量较大。
通过十一层煤巷道顶板离层数据分析比较，锚固范围内与锚固范围外离层量相差不大。
从该巷道顶板离层观测数据可知，该煤层顶板离层基本没有超过顶板离层临界值。
其原因该煤层巷道直接顶为砂质页岩，厚在6米以上。
离层指示仪深基点与浅基点都固定在砂质页岩范围内。
由此可见，锚固范围内与锚固范围外离层是在同一岩层内。
因为十一层是同一种物质的岩性，没有弱面存在，因此该煤层巷道顶板稳定，离层量不大。
只是在巷道开挖阶段，利用锚杆支护时破坏了巷道围岩应力平衡，锚固范围内的围岩产生裂隙出现很小的离层。
但不会对巷道安全生产构成威胁。
6.3交岔口顶板离层数据分析
交岔口顶板离层数据表
煤层
巷道
测筒编号
支护材料
内测筒
外测筒
总离层量
二层
1202E
运输巷
螺纹钢
锚杆
离层量mm
138
46
184
速度mm/d
1.7
0.57
2.27
四层
3418E
回风巷
高强锚杆
离层量mm
32
26
58
速度mm/d
0.43
0.35
0.78
十一层
11107E
运输巷
高强锚杆
离层量mm
10
7
17
速度mm/d
0.22
0.15
0.37
通过安设在巷道交叉口处的顶板离层指示仪观测数据及曲线图可知，其顶板离层量比同条巷道不受构造影响的顶板离层量及离层速度都大，三岔口处顶板离层较大的原因是当第一条巷道开挖后，破坏了围岩的应力平衡状态，引起应力重新分布，巷道围岩应力状态由原来的三向应力状态转化为二向应力状态，水平应力向顶板岩层转移，垂直应力向两帮煤体转移。
顶板下位岩层主要受水平应力的作用。
因巷道交叉口处顶板的对角线跨度比任何单一巷道的跨度都大，顶板在水平应力的作用下，岩层很容易失稳破坏，从而造成顶板离层较大的原因。
6.4顶板离层预警提示
1404W运输巷靠近大断层附近施工，且顶板含有多层弱面的复合顶板，顶板管理难度加大，在这种情况下，通过离层指示仪实施监测记录顶板离层，以及发生发展过程，对控制顶板离层起到了很好的作用。
如施工过程中，离层指示仪显示数据，锚固范围外达到了30mm，超过顶板离层界限值，为此，现场制定措施，补打锚杆和锚索，从而控制了顶板进一步离层，避免了巷道失稳和顶板事故。
7、效果评价
⑴顶板离层量牌板、记录本数据显示，为现场技术人员提供顶板动态信息，直观、简单、方便、易懂，实用性强。
⑵巷道电子档案和顶板离层动态数据库的建立。
为掌握每条巷道的顶板动态信息打下基础。
⑶顶板离层界限值的确定，为顶板离层预警提示提供了科学依据。
8、结论与建议
8.1揭示顶板离层规律
煤巷多为回采巷道，其位置不容选择，且受回采动压影响，加上煤层一般比岩层软弱，赋存条件一般比较复杂，因此煤巷锚杆支护比岩巷要困难的多。
通过在我矿安装顶板离层指示仪，获得大量的数据，从有针对性二、四、十一层煤巷道顶板离层指示仪观测数据及曲线图分析表明，得出以下规律
⑴通过各煤层巷道的离层指示仪的观测数据分析可知，得出结论四层和十一层巷道顶板离层量较小。
从而说明了该煤层巷道顶板基本稳定，对安全生产不够成威胁。
二层、四层、十一层巷道相比较，二层巷道顶板离层量要大一些。
⑵受地质条件影响的巷道顶板离层很大。
⑶巷道交岔口处的顶板离层量大。
⑷通过在各煤层巷道安装的顶板离层指示仪观测数据的分析，掌握了各煤层巷道在不同围岩条件下顶板离层、发展、稳定的全过程以及各阶段的离层量和时间，确定巷道顶板稳定期，为支护提供了科学依据。
⑸锚杆支护设计和安打质量是影响顶板离层的主观因素，相同的支护参数，围岩条件，离层量却有较大的差别，主要是取决支护设计锚杆施工质量。
⑹完整顶板离层是由下往上逐渐发展的，复合顶板离层是由弱面首先开始离层。
二层煤巷道属复合顶板，复合顶板在巷道开挖后，围岩变形很小时，就出现开裂、离层、滑动、裂纹扩展和松动等，使围岩强度大大弱化。
特别当巷道受高水平地应力时更容易造成复合顶板离层。
巷道交叉口处顶板的对角线跨度比任何单一巷道的跨度都大，经研究表明，交叉口处的巷道更易发生顶板离层。
所以为了保证巷道交叉口顶板安全，一定加强交叉口处顶板控制。
确保巷道交叉口处的安全。
从各煤层巷道的离层量及离层数值来看，多数巷道顶板离层首先从锚固范围内出现。
说明煤巷锚杆支护成败的关键在于施工质量。
严格的施工管理是实现优质、高效、安全、经济的重要保证。
为保证各煤层巷道正常安全生产，需要进一步加强施工组织管理、施工技术管理、施工质量管理。
为此在巷道顶板离层观测时，特别关注复合顶板和交叉口及地质构造的巷道顶板变化情况，当发现各煤层顶板锚固范围内离层很大时，应及时采取相应的支护措施，（缩小锚杆的间、排距）。
当发现各煤层顶板锚固范围之外离层很大时，（增加锚杆的长度，或安设锚索，或用金属支架加强支护）。
有效的将巷道顶板离层控制在一定数值范围内，使巷道顶板支护能够满足生产及安全的需要。
确保巷道顶板的稳定，避免因巷道顶板离层超限，造成冒顶事故的发生。
8.2建议
根据上述顶板运动规律，对巷道锚杆支护有针对性的采取以下技术措施：
⑴通过顶板离层临界值计算公式可知，锚固范围外的临界值较小，二、四、十一层锚固范围外的离层量基本超临界值，因此需要及时对巷道迎头，增加锚杆的长度、或安设锚索，或用金属支架加强支护，有效的将锚固范围外的离层控制在临界值范围内。
⑵加强地质构造地段的支护。
⑶松散岩层顶板应缩小锚杆间排距来确保顶板完整防止漏冒。
⑷锚杆施工质量是控制顶板成败的关键，因此应抓好施工质量的管理，有针对性的采取质量措施，确保锚杆施工质量合格。
⑸合理的锚杆支护设计是保证巷道支护成功的前提，因此应根据矿压观测结果，不断修改、完善、优化支护设计，确保支护参数符合现场实际要求。
9、应用前景
通过在二、四、十一层煤巷道安装的顶板离层指示仪，经过大量的原始数据资料分析，摸清了上覆岩层运动变化规律，通过顶板离层临界值的确定，得知锚固范围外的离层量多数超临界值，锚固范围内离层量基本离层临界值范围内。
经过近年来的资料分析和现场经验，我们能及时的准确的判定上覆岩层的位移量，为工程技术人员提供了可靠的参数，为巷道支护设计提供了有利的科学依据。
当发生顶板离层超限时，可以采取针对性的控制措施，有效的控制巷道围岩稳定。
因此，大埋深煤巷锚杆支护巷道顶板离层监测应用前景广阔。
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