多软弱夹层的巷道顶板稳定特性及支护设计分析
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摘 要：只有在多层软弱夹层的条件下对巷道内部的复合顶板力学模型进行有效地分析，并有效地分析内部的结构特征和离层破坏的机理。才能够以其他类型的基本原理为基础提出以巷道顶板锚固支护参数为基础的计算方法。从研究的结果来看，多个软弱夹层内部的复合顶板都会在实际操作的过程中出现顶板离层的现象，从而使得顶板的刚度有所下降，最终也就会出现顶板破裂和冒落的现象。又因为顶板各层之间的弯曲挠度之间存在差异，所以，通过锚杆就会形成一种顶板的组合，从而使得组合形成一定的强度。因为如果没有顶板强度的支撑，则很容易因此发生离层的现象，从而使得岩梁的两端出现弯曲的现象。本文结合多软弱夹层的巷道顶板稳定特性对其支护设计进行分析。
关键词：多软弱夹层；巷道顶板；稳定特性；支护设计
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.059
0 引言
虽然我国煤炭资源的储备量非常丰富，但是，在煤炭资源开采的过程中会出现诸多困难和挑战。与煤炭资源相关的存赋条件会使得煤炭开采的过程中出现顶板坍塌的事故。我国在2007年-2014年的几年时间内就出现多起因为顶板问题而引发的事故，占据总事故的60%，造成了约30.28%。为了能够有效地预防多软弱夹层巷道顶板安全事故的发生，有效地研究顶板的特性，并在之后对其支护设计进行分析显得尤为必要。
1 含数层软弱夹层的复合顶板结构的破坏特征
多数层数的坚硬的复合顶板在顶板区域的内部有多个软弱的夹层。间隔的夹层存在于顶板之间各个坚硬的岩层中间。巷道一旦被开挖之后，巷道顶板岩层附近会形成两端固定支梁的结构。在荷载力的作用下，顶板会因此发生弯曲。又因为各个岩层内部的力学性质会不同，各个岩层的弯曲和下沉的量也会不同，从而使得岩层容易在之后出现离层的现象[1]。软弱的夹层位于坚硬的岩层之间，之后会发生被塑性破坏的现象，从而使得坚硬岩层之间的离层之间的距离进一步加大，各个岩层之间也就容易形成单独的结构，从而使得岩层的抗弯截面系数进一步减小岩梁截面的弯曲正应力也会因此增大。岩层的两端也会因此产生破坏而最终形成一个简易的岩梁。
简支的岩梁在自身载荷作用下，会使得内部的弯矩变得最大。如果一旦内部的弯曲正应力大于岩梁的抗压强度，那么则很有可能因为被破坏而形成三铰拱式的结构，最终又会出现失稳垮落的现象。
2 顶板离层的条件
（1）顶板离层的载荷条件。顶板是坚硬的岩层和软弱的夹层中间存在的交替性的复合形式。在实际分析的过程中，可以通过引用关键层的理论来对顶板内部本身的离层条件进行分析，其主要计算的公式如下：
（qn）1=E1H13（p1gh1+p2gh2+…+pnghn）/E1h13+E2h23+…Enhn3） （1）
式子中的（qn）1本身也直接考虑到了n层岩层对第1层的影响，并在之后形成有效的载荷。其中，hi、p1、Ei分别代表各个岩层的厚度、密度和弹性模量。
在计算的过程中，需要依次将顶板内部各个岩层的参数有效地代入，之后再按照从下往上的方式依次进行计算。如果计算的结果中出现了（qn）1>（qn+1）1的情况，则第n层和第n+1层就会因此出现离层。在计算的过程中，一定要按照顺序来进行有效地计算，一直到坚硬而稳固的岩层。在有关背景下，上述式子也会出现不成立的现象。
（2）顶板里层的挠度条件。以上述的各个关键层为基础来有效地计算两端固定支梁与关键层有关的挠度。其主要的计算公式如下“
Ymax，i=qiB4/32Eihi3 （2）
算式中的ymax，i表示第i个关键层内部的最大挠度。qi则表示第i个关键层内部所受到的荷载。从第一个算式中可以求得如下的结果：Ei和hi本身表示同样的意思。B本身是巷道两帮失去稳定性之后巷道内部的宽度，本身也属于最不稳定的巷道宽度。B=a+2b。对b采用如下的取值方式：如果两帮没有发生破坏，b=0。如果两帮在使用的过程中发生破坏，则b=H×cotθ。其中的θ=π/4+φ/2。其中，φ表示岩石内部出现的摩擦角。
3 支护相关形式和参数
（1）锚杆的长度。一般设定锚杆的长度为Lg，主要的计算方式如下：
Lg=Lgl+Lg2+Lg3
从式子中可以看出，锚杆外露的长度为Lgl=0.1-0.16m，Lg2为锚杆的长度。对于含数层软弱夹层的复合顶板而言，可以定位巷道顶板表面到锚固体上一层岩层下表面之间的距离，并将Lg3作为锚杆锚固本身的长度，并在之后配合拔拉试验来有效地进行。
（2）锚索的作用形式。如果锚固体本身的强度较低，那么可以设锚索对锚固体单位面积的作用力为Ps。
当锚固体本身的结构就已经比较稳定时，那么就尤其需要采用锚索支护来提高巷道顶板的稳定性。必要时需要根据工程经验内部的数据来模拟取值。
（3）锚索的长度Ls。锚索长度：
Ls=Ls1+Ls2+Ls3
算式中的Ls1一般被设定为0.2m，式子中的Ls2为锚固体的厚度，式子中的Ls3主要可以由拉拔的试验确定，注意让其厚度不小于0.5m。
4 实际案例运用
某山西煤矿工程9#-10#煤层之间的平均厚度为1.93m，内部含有0-2层夹矸。其顶板被设定为典型的含有数层软弱夹层的坚硬的复合顶板。
整个煤层的9#+10#的南回风大巷内部存在着矩形断面，并将断面的尺寸设定为4200mm×2500mm，并在之后采用锚网喷联合的方式进行支护。顶板岩层中3层的石灰岩主要被设定为关键分层。从上往下的载荷分别为19.82kPa、33.86kPa和62.6kPa。经过计算可以知道，各个关键层最大的挠度分别被设定为137.43mm、88.53mm和40.00mm[2]。由于整个挠度是呈现从下往上依次减小的趋势，这进一步说明各个关键层之间发生了離层的现象。
5 结束语
本文结合实际的案例主要就多软弱夹层的巷道顶板稳定特性进行全面地分析，并全面地对有关支护的参数进行全面的分析。只有设定好支护的参数和支护的形式，才能够让锚杆支护的过程更加顺利地进行。
参考文献：
[1]岳中文，杨仁树，闫振东等.复合顶板大断面煤巷稳定性试验研究[J].煤炭学报，2015（04）：139-143.
[2]张镇，康红普，王金华.煤巷锚杆—锚索支护的预应力协调作用分析[J].煤炭学报，2016（04）：46-53.
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