多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性及支護(hù)設(shè)計(jì)分析

       雖然我國(guó)煤炭資源的儲(chǔ)備量非常豐富，但是，在煤炭資源開(kāi)采的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諸多困難和挑戰(zhàn)。與煤炭資源相關(guān)的存賦條件會(huì)使得煤炭開(kāi)采的過(guò)程中出現(xiàn)頂板坍塌的事故。我國(guó)在2007年-2014年的幾年時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)多起因?yàn)轫敯鍐?wèn)題而引發(fā)的事故，占據(jù)總事故的60%，造成了約30.28%。為了能夠有效地預(yù)防多軟弱夾層巷道頂板安全事故的發(fā)生，有效地研究頂板的特性，并在之后對(duì)其支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析顯得尤為必要。
　　1 含數(shù)層軟弱夾層的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)的破壞特征
　　多數(shù)層數(shù)的堅(jiān)硬的復(fù)合頂板在頂板區(qū)域的內(nèi)部有多個(gè)軟弱的夾層。間隔的夾層存在于頂板之間各個(gè)堅(jiān)硬的巖層中間。巷道一旦被開(kāi)挖之后，巷道頂板巖層附近會(huì)形成兩端固定支梁的結(jié)構(gòu)。在荷載力的作用下，頂板會(huì)因此發(fā)生彎曲。又因?yàn)楦鱾€(gè)巖層內(nèi)部的力學(xué)性質(zhì)會(huì)不同，各個(gè)巖層的彎曲和下沉的量也會(huì)不同，從而使得巖層容易在之后出現(xiàn)離層的現(xiàn)象[1]。軟弱的夾層位于堅(jiān)硬的巖層之間，之后會(huì)發(fā)生被塑性破壞的現(xiàn)象，從而使得堅(jiān)硬巖層之間的離層之間的距離進(jìn)一步加大，各個(gè)巖層之間也就容易形成單獨(dú)的結(jié)構(gòu)，從而使得巖層的抗彎截面系數(shù)進(jìn)一步減小巖梁截面的彎曲正應(yīng)力也會(huì)因此增大。巖層的兩端也會(huì)因此產(chǎn)生破壞而最終形成一個(gè)簡(jiǎn)易的巖梁。
　　簡(jiǎn)支的巖梁在自身載荷作用下，會(huì)使得內(nèi)部的彎矩變得最大。如果一旦內(nèi)部的彎曲正應(yīng)力大于巖梁的抗壓強(qiáng)度，那么則很有可能因?yàn)楸黄茐亩纬扇q拱式的結(jié)構(gòu)，最終又會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)垮落的現(xiàn)象。
　　2 頂板離層的條件
　?。?）頂板離層的載荷條件。頂板是堅(jiān)硬的巖層和軟弱的夾層中間存在的交替性的復(fù)合形式。在實(shí)際分析的過(guò)程中，可以通過(guò)引用關(guān)鍵層的理論來(lái)對(duì)頂板內(nèi)部本身的離層條件進(jìn)行分析，其主要計(jì)算的公式如下：
　?。╭n）1=E1H13（p1gh1+p2gh2+…+pnghn）/E1h13+E2h23+…Enhn3） （1）
　　式子中的（qn）1本身也直接考慮到了n層巖層對(duì)第1層的影響，并在之后形成有效的載荷。其中，hi、p1、Ei分別代表各個(gè)巖層的厚度、密度和彈性模量。
　　在計(jì)算的過(guò)程中，需要依次將頂板內(nèi)部各個(gè)巖層的參數(shù)有效地代入，之后再按照從下往上的方式依次進(jìn)行計(jì)算。如果計(jì)算的結(jié)果中出現(xiàn)了（qn）1>（qn+1）1的情況，則第n層和第n+1層就會(huì)因此出現(xiàn)離層。在計(jì)算的過(guò)程中，一定要按照順序來(lái)進(jìn)行有效地計(jì)算，一直到堅(jiān)硬而穩(wěn)固的巖層。在有關(guān)背景下，上述式子也會(huì)出現(xiàn)不成立的現(xiàn)象。
　?。?）頂板里層的撓度條件。以上述的各個(gè)關(guān)鍵層為基礎(chǔ)來(lái)有效地計(jì)算兩端固定支梁與關(guān)鍵層有關(guān)的撓度。其主要的計(jì)算公式如下“
　　Ymax，i=qiB4/32Eihi3 （2）
　　算式中的ymax，i表示第i個(gè)關(guān)鍵層內(nèi)部的最大撓度。qi則表示第i個(gè)關(guān)鍵層內(nèi)部所受到的荷載。從第一個(gè)算式中可以求得如下的結(jié)果：Ei和hi本身表示同樣的意思。B本身是巷道兩幫失去穩(wěn)定性之后巷道內(nèi)部的寬度，本身也屬于最不穩(wěn)定的巷道寬度。B=a+2b。對(duì)b采用如下的取值方式：如果兩幫沒(méi)有發(fā)生破壞，b=0。如果兩幫在使用的過(guò)程中發(fā)生破壞，則b=H×cotθ。其中的θ=π/4+φ/2。其中，φ表示巖石內(nèi)部出現(xiàn)的摩擦角。
　　3 支護(hù)相關(guān)形式和參數(shù)
　　（1）錨桿的長(zhǎng)度。一般設(shè)定錨桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)g，主要的計(jì)算方式如下：
　　Lg=Lgl+Lg2+Lg3
　　從式子中可以看出，錨桿外露的長(zhǎng)度為L(zhǎng)gl=0.1-0.16m，Lg2為錨桿的長(zhǎng)度。對(duì)于含數(shù)層軟弱夾層的復(fù)合頂板而言，可以定位巷道頂板表面到錨固體上一層巖層下表面之間的距離，并將Lg3作為錨桿錨固本身的長(zhǎng)度，并在之后配合拔拉試驗(yàn)來(lái)有效地進(jìn)行。
　?。?）錨索的作用形式。如果錨固體本身的強(qiáng)度較低，那么可以設(shè)錨索對(duì)錨固體單位面積的作用力為Ps。
　　當(dāng)錨固體本身的結(jié)構(gòu)就已經(jīng)比較穩(wěn)定時(shí)，那么就尤其需要采用錨索支護(hù)來(lái)提高巷道頂板的穩(wěn)定性。必要時(shí)需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)來(lái)模擬取值。
　?。?）錨索的長(zhǎng)度Ls。錨索長(zhǎng)度：
　　Ls=Ls1+Ls2+Ls3
　　算式中的Ls1一般被設(shè)定為0.2m，式子中的Ls2為錨固體的厚度，式子中的Ls3主要可以由拉拔的試驗(yàn)確定，注意讓其厚度不小于0.5m。
　　4 實(shí)際案例運(yùn)用
　　某山西煤礦工程9#-10#煤層之間的平均厚度為1.93m，內(nèi)部含有0-2層夾矸。其頂板被設(shè)定為典型的含有數(shù)層軟弱夾層的堅(jiān)硬的復(fù)合頂板。
　　整個(gè)煤層的9#+10#的南回風(fēng)大巷內(nèi)部存在著矩形斷面，并將斷面的尺寸設(shè)定為4200mm×2500mm，并在之后采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合的方式進(jìn)行支護(hù)。頂板巖層中3層的石灰?guī)r主要被設(shè)定為關(guān)鍵分層。從上往下的載荷分別為19.82kPa、33.86kPa和62.6kPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以知道，各個(gè)關(guān)鍵層最大的撓度分別被設(shè)定為137.43mm、88.53mm和40.00mm[2]。由于整個(gè)撓度是呈現(xiàn)從下往上依次減小的趨勢(shì)，這進(jìn)一步說(shuō)明各個(gè)關(guān)鍵層之間發(fā)生了離層的現(xiàn)象。
　　結(jié)束語(yǔ)
　　本文結(jié)合實(shí)際的案例主要就多軟弱夾層的巷道頂板穩(wěn)定特性進(jìn)行全面地分析，并全面地對(duì)有關(guān)支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行全面的分析。只有設(shè)定好支護(hù)的參數(shù)和支護(hù)的形式，才能夠讓錨桿支護(hù)的過(guò)程更加順利地進(jìn)行。