复合顶板回采巷道灾后的垮塌状态

张国华，郝传波，于会军，许元华

( 1．黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技大学)，哈尔滨150022; 2．黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022; 3．黑龙江科技大学，哈尔滨150022)

复合顶板回采巷道灾后的垮塌状态

收稿日期: 2013-11-17
基金项目:国家自然科学基金项目( 51374097) ;黑龙江省煤炭生产安全管理局资助项目( 2012)
第一作者简介:张国华( 1971-)，男，黑龙江省讷河人，教授，博士，研究方向:采动围岩灾变与控制、瓦斯灾害防治，E-mail: zgh710828131 @163．com。

张国华1，2，郝传波1，3，于会军2，许元华1，2

( 1．黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室(黑龙江科技大学)，哈尔滨150022; 2．黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022; 3．黑龙江科技大学，哈尔滨150022)

在阐述灾后回采巷道垮塌对安全快速救援具有重要影响的基础上，结合矿压相关理论，分析了复合顶板回采巷道在锚杆悬吊原理和组合原理下的垮塌状态，分别推导出了垮空区高度计算公式以及巷道垮塌后能够造成巷道堵塞的条件，并依据不同的复合顶板条件，从利于灾后救援的角度出发，对回采巷道支护提出了相应工程建议。当复合顶板岩层分层累积厚度较小时，宜采用锚杆+金属网联合支护;当复合顶板岩层分层累积厚度较大时，则宜采用锚杆+锚索+金属网联合支护，并兼顾利用锚杆的组合作用、锚索的悬吊作用以及金属网的挡护作用。该研究对救援过程中预判巷道垮塌对救援的影响，制定相应处理方案，以及提高巷道围岩控制质量和抗灾能力，均具有重要的参考价值。

复合顶板;回采巷道;救援;垮塌;堵塞

0引言

巷道垮塌以至于堵塞巷道，对煤矿井下灾后应急救援影响非常大，主要表现为中断井下通风网路、阻断逃生路线、延迟救援人员到达待援人员驻留区的时间等。据不完全统计，井下瓦斯爆炸等重大灾害发生时，第一现场瞬间死亡的人数比例不到10%，其余绝大部分则因气体中毒、逃生路线受阻无法及时撤离、氧气耗尽窒息、长时间得不到补给和及时救治而丧生[1-5]。

由于井下作业一般以工作面采煤和回采巷道掘进为主，瓦斯爆炸又多发生在作业区内，故能够发生垮塌的巷道以回采巷道最为常见[6-9]。长期以来，随着广大科技工作者对巷道围岩控制理论和技术的深入研究，巷道围岩的控制效果和质量有了显著的提高，抗破坏能力也得到了明显增强。可以说，在矿井正常生产期间基本上均能够保证巷道的正常使用，但在瓦斯爆炸等强冲击破坏力的作用下，巷道垮塌以至于造成局部堵塞并影响正常救援的情况依然存在。

除了节理裂隙发育的破碎围岩和地质破碎带之外，分层厚度小、分层数目多的复合顶板，在瓦斯爆炸等冲击破坏作用下也容易发生巷道垮塌并导致巷道堵塞。此类顶板在煤矿回采巷道中也较为常见，故笔者以其为研究对象，探讨其在瓦斯爆炸冲击破坏作用下的巷道垮塌形式以及在巷道内的堆积充填状态，旨在为井下发生瓦斯爆炸后，提前预判灾后巷道破坏、垮塌与堵塞程度，为救援方案的制定提供支持。

1复合顶板锚杆支护原理

从利于回采巷道围岩稳定的角度出发，为减少对层状顶板完整性的破坏，煤层中的回采巷道断面形状多开掘为立边斜顶形，如图1所示，其顶板支护也多采用锚杆主动支护。

复合顶板是回采巷道常见的一种顶板类型，其宏观特征主要表现为层理发育、分层数目多、分层厚度小和累积厚度较大的岩层组。当采用锚杆支护时，因锚杆长度和复合顶板岩层组累积厚度的不同，其支护原理也不一样。若复合顶板岩层组的累积厚度较大，所采用的锚杆长度小于其累积厚度，在顶板内安设锚杆。其目的在于将下位有限范围内的岩层分层组合在一起，形成一个相对厚度较大、稳定性较好的组合梁，从而使其达到整体稳定状态，此时锚杆所起的作用是组合梁作用(图1a)。若复合顶板岩层组的累积厚度较小，锚杆长度大于其累积厚度，在顶板内安设锚杆，旨在将下位不稳定的复合岩层组悬吊固定在上位稳定岩层上，以此使顶板达到整体稳定状态，此时锚杆所起的作用则是悬吊作用(图1b)。

图1 回采巷道复合顶板锚杆支护原理Fig．1 Anchor bolt support principle about composite roof of mining gateway

锚杆支护属于非全封闭支护，在瓦斯爆炸时会对巷道围岩和围岩-支护结构产生两种作用:一是爆炸冲击力对围岩-支护结构产生瞬间反向位移作用;二是爆炸瞬间高压气体对围岩裂隙产生气胀作用。前者会使围岩裂隙数目增加，围岩-支护稳定结构发生改变;后者则会使围岩内部原有的裂隙扩展延伸，围岩完整性进一步恶化。在二者的综合作用下，有可能导致巷道局部破坏，进而发生连锁失稳并导致巷道整体垮塌。

2锚杆悬吊作用下复合顶板的垮塌状态

2. 1 两帮稳定

由于锚杆是将复合顶板悬吊于上位相对厚而稳定的岩层之上，若发生垮落，其垮落的岩层将是复合顶板范围内的岩层，垮落之后的顶板暴露岩层将是上位厚而稳定的岩层，因此垮空区的断面形状近似平行四边形，如图2所示。此时，垮冒体在巷道内的堆积高度h可按下式计算，即

式中:∑d——复合顶板的厚度;

k——碎胀系数;

α——煤岩层的倾角。

若垮落堆积体能够将巷道充填满并造成巷道堵塞，其满足的条件为

式中: H——巷道中高。

图2 两帮稳定时复合顶板垮落计算Fig．2 Calculation diagram of composite roof collapse under both sides steady

2. 2 两帮不稳定

两帮不稳定时，由于两帮的失稳会使巷道跨度加大，此时，复合顶板冒落之后的垮空区断面形状仍近似平行四边形，如图3所示。

图3 两帮不稳定时复合顶板垮落计算Fig．3 Calculation diagram of composite roof collapse under both sides not steady

根据Mohr-Coulomb强度理论，此时因巷道下帮失稳而造成巷道沿倾斜方向上的增宽宽度a1为

式中: dm——煤层厚度;

φ——煤体内摩擦角。

相应地，因上帮失稳而造成巷道增宽的宽度a2为

此时，在单位长度巷道上，下帮失稳后的体积V1、上帮失稳后的体积V2以及复合顶板范围内岩层垮落后的体积V3分别为

式中: km——煤体的碎胀系数;

a——原巷道宽度。

由于两帮及复合顶板组合岩层失稳后的煤岩体均堆积到巷道内，其堆积体的中高h可通过下列方程组求得，即

式中: L——巷道内垮落堆积体顶面斜向宽度;

h0——巷内垮落堆积体沿煤层层面方向上的高度。

将式( 3)～( 7)代入方程组( 8)，整理得:

若垮落堆积体将巷道充满并造成巷道堵塞，其满足的条件为

3锚杆组合作用下复合顶板的垮塌状态

3. 1 两帮稳定

对于在锚杆组合作用下处于稳定状态的复合顶板，若在两帮稳定时巷道发生垮塌，将存在两种情况，一是组合梁整体失稳;二是因锚杆间破碎漏空导致整个组合梁失稳。但无论是哪种情况，都有可能导致组合梁以上的复合顶板岩层分层发生连续失稳垮落，最终垮空区断面的形状仍为近似平行四边形，如图4所示。

图4 两帮稳定时组合梁垮落计算Fig．4 Calculation diagram of combination beam collapse under both sides steady

此时，设顶板岩层的碎胀系数为k，则组合梁垮落堆积在巷道内的堆积体的中高h:

式中:∑d1——组合梁的厚度;

∑d2——组合梁以上的复合顶板岩层冒落厚度。

对于组合梁以上复合顶板岩层冒落厚度∑d2的确定，首先将组合梁以上的复合顶板岩层分层均视为固支梁，并自下而上依次编号为1、2、…、n。根据矿压理论[10-11]，各岩层分层的极限跨距的计算式:

式中: Li——第i层岩层分层的极限跨距;

di——第i层岩层分层的厚度;

σti——第i层岩层分层的抗拉强度;

n——安全系数，取n =6;

q——第i层岩层分层所承受的载荷。

由于复合顶板是由多层岩层分层组合而成，在计算第一层岩层的极限跨距时应考虑各分层之间的相互影响。n层岩层分层对第一层岩层分层所形成的载荷( qn)1计算式:式中: Ei、γi——第i( i =1，2，…，n)岩层的弹性模量和容重。

当计算到( qn +1)1<( qn)1时，则将( qn)1作为式( 12)中的q来计算。此时，若通过式( 12)计算所得第一层岩层分层的极限跨距小于巷道斜向跨度，即，则第一岩层分层将失稳垮落，进而再按上述过程依次判定第2、3、…、n层岩层分层是否失稳垮落。于是，各失稳垮落岩层分层厚度累加，即可得到∑d2。

同理，若巷道内的垮落堆积体能够造成巷道堵塞，其满足的条件为

3. 2 两帮不稳定

若两帮不稳定，则会因片帮失稳而导致巷道跨度加大，组合梁因两端承载点外移而发生垮落，如图5所示。

图5 两帮不稳定时组合梁垮落计算Fig．5 Calculation diagram of combination beam collapse under both sides not steady

根据Mohr-Coulomb强度理论，此时因巷道下帮失稳而造成巷道沿倾斜方向上的增宽宽度a1为

相应地，因上帮失稳而造成巷道增宽的宽度a2为

此时，在单位长度巷道上，下帮失稳后的体积V1、上帮失稳后的体积V2以及复合顶板落后的体积V3分别为

∑d2的确定过程同3. 1所述，但在其计算过程中，由于巷道跨度因巷帮失稳而增大，故此时应根据来判定该岩层分层是否失稳，从而累积计算出∑d2。

由于两帮、组合梁及组合梁上位复合岩层失稳后的煤岩体均堆积到巷道内，同理，可得堆积体的中高h:

若巷道发生堵塞，则需满足下列条件:

4 工程意义

由式( 2)和式( 14)，对于复合顶板，在巷帮稳定的条件下，顶板垮落后能否造成巷道堵塞，与巷道中高、顶板碎胀系数、煤岩层倾角有关。相比而言，在组合梁条件下，因复合顶板岩层组累积厚度大，更容易造成巷道堵塞，此时垮落的顶板不仅包括组合梁厚度范围内的岩层分层，还可能包括组合梁之上的岩层分层。

由式( 10)和式( 21)，在两帮不稳定条件下，顶板垮落后能否造成巷道堵塞，则与煤层厚度、煤层碎胀系数、巷道宽度、煤岩层倾角、顶板岩层碎胀系数有关。相比之下，复合顶板内岩层分层的累积厚度越大，顶板失稳垮落后越容易造成巷道堵塞。

同时，对比式( 2)和( 10)以及式( 14)和( 21)可知，在同样厚度条件下，两帮不稳定时，因巷帮失稳造成巷道跨度加大，结果会使巷道更容易堵塞。

由上，对于复合顶板回采巷道，若存在瓦斯爆炸导致巷道垮塌堵塞以至影响救援的可能性时，应在巷道初期形成过程中就着手于巷道的支护质量，尤其要加强对巷帮的支护，以避免和减小对灾后救援的影响。据此，当复合顶板岩层分层累积厚度较小时，宜采用锚杆+金属网联合支护;当复合顶板岩层分层累积厚度较大时，则宜采用锚杆+锚索+金属网联合支护，即采用锚杆使复合顶板下位岩层分层形成组合梁，再采用锚索将组合梁二次悬吊于深部稳定岩层之上，从而提高巷道的抗破坏能力。之所以采用金属网，主要用于防止锚杆之间出现漏空而导致顶板发生连锁失稳。

5结论

( 1)对于复合顶板回采巷道，在瓦斯爆炸冲击破坏作用下，存在发生垮塌和堵塞救援线路的可能。当巷道垮塌后，顶板垮空区形状近似平行四边形，垮空高度和对巷道的堵塞程度与巷帮稳定与否有关。

( 2)当复合顶板岩层分层累积厚度相对较小并采用锚杆悬吊原理支护时，其垮空高度取决于复合顶板的厚度;当复合顶板岩层分层累积厚度较大并采用锚杆组合原理支护时，其垮空高度不仅取决于组合梁的厚度，还取决于组合梁之上的岩层分层的自身稳定程度。相比较而言，两帮失稳会导致巷道跨度加大，从而增加顶板垮落以及堵塞巷道的可能性。

( 3)从利于灾后事故救援角度出发，避免和减少巷道垮塌对安全、快速救援的影响，在巷道形成过程中，应加强巷道支护设计以及施工质量，尤其要加强对巷帮的支护。当复合顶板岩层分层累积厚度较小时，宜采用锚杆+金属网联合支护;当复合顶板岩层分层累积厚度较大时，则宜采用锚杆+锚索+金属网联合支护，兼顾利用锚杆的组合作用、锚索的悬吊作用以及金属网的挡护作用。

( 4)该研究对降低灾后复合顶板回采巷道失稳垮塌的可能性和对救援工作的影响，预判其垮塌形式和状态，提高其抗灾能力，均具有一定的指导意义。

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[11]张国华，李凤仪．矿井围岩控制与灾害防治[M]．徐州:中国矿业大学出版社，2009．

(编辑 晁晓筠)

Analysis of collapse shape about mining gateway under condition of composite roof after disaster

ZHANG Guohua1，2，HAO Chuanbo1，3，YU Huijun2，XU Yuanhua1，2
( 1．Heilongjiang Ground Pressure&Gas Control in Deep Mining Key Lab( Heilongjiang University of Science&Technology)，Harbin 150022，China; 2．School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China; 3．Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Following the discussion that mining gateway collapse has important influence on safe and rapid rescue，this paper analyzes the collapse shape of composite roof mining gateway under anchor bolt suspension principle and combination principle，combined with mine pressure theory，offers the height calculation formula of collapse empty area and conditions more likely to block rescue route after mining gateway collapse，and from the perspective of rescue，gives the corresponding suggestion for support of mining gateway according to different composite roof conditions．The composite roof stratum layers of minor cumulative thickness render it advisable to achieve a combined support using the combination of anchor bolt and metal net; the stratum layers of a greater cumulative thickness make it suitable to effect a combined support using the combination of anchor bolt and cable and metal net，with concurrent use of anchor bolt’combination function，and cable’s suspension function，and metal net’s block-protect function．The study is of important reference value to prejudging the influence of mining gateway collapse on rescue，drawing up disposal schemes before carrying out the rescue，improving control quality about mining gateway surrounding rocks，and upgrading the anti-disaster ability about mining gateway．

composite roof; mining gateway; rescue; collapse;blocking

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 002

TD322. 4

2095-7262( 2014) 01-0006-05

A