煤矿巷道顶板离层预警值和临界值的研究

煤矿巷道顶板离层预警值和临界值的研究

满在山

山东东山新驿煤矿有限公司 272100

摘要:顶板事故是我国煤矿的多发事故，给企业和个人带来巨大的损失。如果能监测到顶板的离层变化，提前预判事故风险，发现事故隐患，发出预警，超前治理，就能预防事故发生。但顶板离层值达到多少预警合适？离层多少是预警的临界值，允许顶板离层多少才能确保安全？一直是困扰现场的一个难题。本文根据巷道支护锚杆、锚索的延伸率和多因素分析法对顶板离层值进行了探讨，提出了顶板离层预警值和临界值的确定方法。

关键词：巷道；顶板；离层；预警值；临界值

Abstract:The top plate accident is often occurrence of coal mines in our country, which brings great loss to enterprises and inpiduals. If you can monitor the change of the roof separation, predict the accident risk in advance, discover the hidden danger of the accident, issue an early warning, advance management, you can prevent the accident. But roof separation value to reach how many warning appropriate? How much is the critical value of warning, how much can the roof be allowed to ensure safety? Has been a problem plaguing the scene. In this paper, the value of roof separation is discussed according to the elongation of roadway supporting bolt and cable and the multi-factor analysis method, and the method of determining the warning value and critical value of roof separation is put forward.

Key words:Roadway; Top plate; Separation layer; Warning value; Critical value

1. 顶板离层分析

1.1 影响顶板离层的因素分析

⑴岩石硬度、厚度、胶结程度都会对顶板离层产生影响。

⑵离层一般发生在岩层之间的结合面上，因此，分层岩层弱面是顶板开始发生离层的位置，随着巷道开挖时间的增长而增大，说明岩石强度的衰减是层状破碎顶板离层的重要因素。

(3)采动压力造成巷道应力增大，巷道周边应力剧烈变化造成顶板离层迅速增加。

(4)支护参数不合理，不能有效控制围岩变形，也是导致顶板离层的重要因素。

（5）巷道跨度、地质构造、淋水、岔门施工都会影响顶板离层破坏。

1.2 顶板离层特性

(1)复合顶板呈层状分布，且弱面胶结比较差，破坏由下向上发展，开始形成离层。

(2)扩容特性明显，节裂、裂隙、碎胀导致岩体体积增大扩容，发生离层。

(3)巷道最大离层通常位于巷道顶板的中部。

2.巷道顶板离层值的确定

巷道顶板出现离层，会带来冒顶风险。离层达到什么程度进行预警？什么程度达到极限值必须停止生产活动？需要有一个确定的数值，以便采取不同的措施进行顶板加固，保证安全生产。

根据生产实践和理论研究，通常有两种方法确定顶板离层是否达到预警值和临界值，一种是利用支护材料延伸率来进行计算，另一种方法是利用多因素法进行计算。

这两种计算都可以通过在顶板安装顶板离层仪来进行观测，通过顶板离层仪的行程读数来判断顶板浅基点和深基点的离层大小，进而根据预警值和临界值采取相应措施进行应对，实现安全生产。

2.1 利用支护材料延伸率计算巷道顶板离层值

锚杆或锚索受力产生拉伸作用，当巷道顶板离层，岩层压力大于锚杆或锚索可以承受的拉力致使支护失效时，顶板就有冒落的危险，可以根据锚杆或锚索可以承受的最大拉伸值确定顶板离层预警值。预警值设计在支护锚杆和锚索破断之前，且留有一定的安全系数，也可将锚杆段离层预警值定义为顶板离层仪浅基点离层预警值，锚索段离层预警值定义为顶板离层仪深基点离层预警值。计算方法如下:

式中：为锚杆或锚索的拉伸率，% ；为锚杆或锚索伸长量， mm；为锚杆或锚索自由段长度，mm，为所用锚固剂的体积，mm3；为锚杆或锚索有效长度（除去外露长度）；为锚杆或锚索眼孔截面积，mm

2；为锚杆或锚索截面积，mm2。

2.1.1 锚杆段离层预警值

锚杆的最大拉伸率需通过锚杆发生拉断时的最大拉伸值来确定，在无法取得实验数据的情况下取经验数据，可取10% 。

螺纹钢锚杆钢筋及锚索的延伸率，见表1。

表1 螺纹钢锚杆钢筋及锚索的延伸率

由于杆体和尾部延伸率不一致，计算时按50%取值。

例：某煤矿锚杆及锚索支护参数如表2。

表2 某煤矿锚杆及锚索支护参数

锚杆外露长度取50mm，则锚杆有效长度=2200-50 =2150mm。

则：

考虑到顶板浅层围岩破碎，锚杆垫板挤压变形等因素，可以取1.5的安全系数。这样，实际预警值可以确定为：

2.1.2 锚索段离层预警值

锚索延伸率如表1所示，支护参数如表2所示，锚索外露长度总长取300mm，则锚索有效长度=8300-300=8000mm，则：

考虑到顶板浅层围岩破碎，锚索垫板挤压变形等因素，可以取1.5的安全系数。这样，实际预警值可确定为：

计算结果，见表3。

表3 离层预警值计算结果

由上述计算可知，某煤矿取离层预警值为100mm在安全范围之内。

而临界值则是离层值即将达到支护材料破断值而又不能使其破断，安全系数取1.1～1.3之间为宜。

2.2 利用多因素法法计算巷道顶板离层值

2.2.1 顶板离层临界值的概念

顶板离层临界值是指在安全范围内巷道顶板离层所允许的最大值，也就是顶板离层到达确定的离层临界值时就得采取相应的应对措施，不能再任其发展变化，继续发展会导致顶板事故的发生。须明确的是，顶板离层临界值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，因此巷道离层必须控制在临界值之内。

2.2.2 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，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作为确定顶板离层临界值的根据。基本指标为：、、B、Q，修正指标为KR、Kδ、λ、Ms。

(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4选取。

表4 围岩完整性系数参考指标

(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。

2.2.3 因素法顶板离层计算

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。

根据多因素理论，结合现场工程经验，建立顶板离层临界值的函数形式：

式中：a1、a2、a3为待定系数。待定系数需要根据大量顶板离层破坏的临界值进行回归，而煤矿监测到的离层值都是顶板完好状态下的正常离层值,所以根据监测资料往往是无法回归得到这三个待定系数的。通常的办法是利用具体的地质资料及物理力学实验，确定好上述八个因素值后进行数值模拟实验，得到不同条件下的顶板离层模拟值后，再进行回归得到待定系数a1、a2和a3，通常待定系数可取0.764、4.537和-49.163。加入修正指标上式即为：

例：某矿巷道侧压系数为1.4，应力集中系数为3，煤层埋深为-430m，顶板完整系数为0.65，顶板离层强度为30MPa，锚固系数为0.3，支护强度为45KN，则带入上式则为：

    =270(mm)

根据计算知：顶板离层值超过270mm时，顶板支护失效，顶板存在冒顶隐患。为确保安全，必须加入一定安全系数。预警值为1.5倍的安全系数，临界值为1.1～1.3的安全系数，根据安全系数确定预警值和临界值。

说明：上式是比较典型的顶板岩层条件下，顶板离层值的计算公式，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。

3. 结论与建议

3.1结论

顶板离层预警值和临界值的确定，能为煤矿顶板管理提供重要帮助。

根据理论和煤矿实测确定顶板离层预警值和临界值后，通过仪器观测顶板离层变化，提前预警预判，加强支护，能够避免发生顶板事故。通过观测数据，为顶板支护设计提供依据，优化支护设计。顶板离层观测通常通过安装机械式顶板离层仪或顶板离层在线监测仪来实现。

3.2 建议

(1)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，交叉口处的巷道更易发生顶板离层，交叉口一定加强顶板管控。

(2)特殊薄弱区域易发生顶板离层，大跨度巷道、地质构造带、托顶煤、淋水区地点需要加强顶板控制。

(3)支护质量是控制顶板的关键因素，必须抓好施工质量，提高支护效果。

(4)合理的支护设计是保证巷道顶板安全的前提，应根据矿压观测结果，优化支护设计，确保支护参数符合现场实际需要。

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作者简介∶满在山，1976年3月，男，汉族，山东滕州人。2012年毕业于中国矿业大学矿业工程学院，矿业工程专业，研究生学历。现在山东东山新驿煤矿，从事技术管理工作。