巷道顶板事故影响因素.doc

巷道顶板事故影响因素
顶板岩层压力与棚式支架相互作用关系
巷道支护技术的发展不断提出新的要求，推动巷道顶板事故防治技术的进步。20世纪70～80年代我国每层巷道以金属棚式支架作为主要支护手段，20世纪80年代以后我国锚杆支护技术迅速发展，在支护理论、支护技术、支护参数设计及施工工艺等方面已形成系统。90年代中后期，已形成一整套先进的锚杆支护技术。
（一）巷道围岩压力
采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分布，巷道周边岩体变形，破坏，向巷道空间移动。为了防治围岩变形和破坏，需要支护围岩。这种围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落围岩额重力，统称为围岩压力。根据围岩压力的成因，可以分为以下四种类型。
1. 松动围岩压力
由于巷道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力，表现为松动围岩压力载荷形式。
2．变形围岩压力
支护能控制围岩变形的发展时，围岩位移挤压支架而产生的压力，称为变形围岩压力简称变形压力。弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力，弹性变形产生速度极快，变形量很小，对于围岩与支护相互作用过程而言，实际意义不大。塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂，围岩向巷道空间位移，使支护结构受到压力，是变形围岩压力的主要表现形式。
3. 膨胀围岩压力
围岩膨胀、崩解体积增大而施加支护上的压力，称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。从现象上看，属于变形压力的范畴，但是两者的变形机制截然不同，前者是指与水发生物理化学反应；后者主要是围岩应力与结构效应。
4.冲击和碰撞围岩压力
冲击和撞击围岩压力包括两部分内容，及围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来所产生的压力以及上覆岩层剧烈运动时对巷道支护体所产生的压力。
（二）棚式支架的巷道顶板事故的主要类型
在棚式支架的巷道中，导致巷道顶板事故的顶板压力，有垂直作用于棚式支架的顶板压力，有巷道无支护处或者巷道支护失效处的顶板岩石体积力，也有平行于棚式支架的顶板推力。因此，从顶板压力与棚式支架的相互作用关系角度出发，可以把巷道顶板事故归纳为压”、“漏”、“推”三个基本类型。也就是说，压垮型冒顶事故是指垂直于棚式支架的顶板压力压坏巷道支架而导致的顶板事故；漏冒型顶板事故是指巷道无支护部分或支护失效部分的松散顶板因体积力作用冒落所导致的顶板事故；推垮型冒顶事故则是平行于棚式支架的顶板力推倒巷道支架而导致的顶板事故。当然，由于事物的复杂性，有些顶板事故包括上述的两种或三种的综合类型。
顶板岩层力学性质及冒落特征
巷道顶板事故是多种原因共同作用的结果，顶板岩层结构是发生巷道顶板事故的主要影响因素。顶板岩层结构及冒落特征可以分为以下五种基本形式。
一、 镶嵌型围岩坠矸
1.围岩结构
①受古河床冲刷，重新沉积的岩块镶嵌在原沉积岩层内，形成大块镶嵌型结构。
②受地质构造运动影响，坚硬岩层的破碎包裹体楔入软岩层中，形成小块镶嵌型结构。或者由于岩层裂隙及断裂发育，互相切割，形成彼此镶嵌，形状复杂的块体。
2.坠落特征
① 坠落岩块多为锅底形、人字形、鱼脊形、升斗行、长条形及草帽行等不规则形状。
② 坠落岩块与原岩之间多为光滑结构面，层间亲合力较弱。
③ 开掘前呈镶嵌稳定状态，开掘后突然坠落在无支护空顶区。大块坠矸可能压垮不稳定的迎头支架或使锚杆支护失效。
二、 离层围岩片帮冒顶
1.围岩结构
① 顶板由薄及中厚层状、较稳定或中等稳定的炭质页岩、页岩、砂质页岩、粉砂岩或细砂岩交互组成。
②围岩节理及裂隙比较发育，互相切割或易于风华剥落。
2.冒落特征
① 冒落形式多为偏帮、风化剥落或局部冒顶。
② 巷道开掘后，巷道顶板由弯曲，出现裂隙到产生离层下沉，冒落岩块呈片状、块状、板状或锲形状等。
三、松散破碎围岩塌漏抽冒
1. 围岩结构
① 围岩主要由炭质页岩、页岩、砂质页岩、泥质细砂岩等组成，成岩程度低，胶结性及稳定性差。
② 受强风化侵蚀、地质构造破坏和采掘影响形成的风化破碎带、断层破碎带、层间错动带及褶皱破碎带、挤压破碎带和围岩的松散破碎带。
2. 塌漏抽冒特征
① 一般先掉细末碎渣，继而由小往大塌漏抽冒，直到形成冒落拱或由顶部到两帮成自然安息角的扩大冒落拱。
② 在缓斜及倾斜岩层内的巷道，一般沿层理面向倾斜上方塌冒。在急倾斜岩层内的巷道，向上方扩大抽冒范围。
四、块状围岩断裂冒顶
1. 围岩结构
① 主要由硅质或铁质胶质的砂岩及石灰岩等组成。
② 块状围岩呈砌体结构时，受地质构造影响较大，节理较发育，有少量软弱面和微张节理，呈中厚或厚层状，很少有离层现象。
2． 断裂冒落特征
① 围岩为块状砌体结构，当受地质构造破坏较大时，在空顶区易发生较大面积的顶板断裂冒落事故。
② 在坚固性较差的，易于风化的块状砌体结构围岩内，可生成砌块状冒落。
五、软岩膨胀变形毁巷
1. 围岩结构
① 围岩构成包括泥质页岩、泥质砂岩、铝土质页岩、粘土岩及第三纪泥质胶结的岩层等。
② 强度低，分层厚度小，结构简单，具有重塑性、崩解性、膨胀性、流变性及触变性等属性。
2. 膨胀变形特征
① 围岩变形量大，变心持续时间长，遇水导致崩解式的膨胀与变形。
② 巷道多表现为环向受压，出现拱顶破坏，两帮内挤及普遍底鼓的全面膨胀变形的状态。

巷道顶板事故影响因素
影响巷道顶板破坏的因素基本上可分为自然因素和开采技术因素两大类。

松漏冒型冒顶事故的机理及预防措施
巷道围岩松软或受采动剧烈影响以及地址构造带内，巷道顶板被节理裂隙切割，在高应力作用下顶板锚杆之间会发生局部冒顶，继而扩大塌漏抽冒，如不及时控制，最终形成冒落拱。顶板局部冒顶引起大面积跨落首先在顶板局部漏顶。锚杆之间金属网局部撕裂，漏高接近或超过锚固深度时，漏空区四周的锚杆失稳或失效。这部分锚杆所承受的压力转移到相邻的锚杆上，形成恶性循环，导致顶板垮落范围迅速扩大，直至冒顶。这种跨落形式具有可见性，跨落前有明显的预兆。
软岩巷道锚杆支护容易失效的原因主要有两个方面：
① 较低的围压降低了锚杆的锚固作用，使锚杆在很低锚固水平下作用，而且随着围岩的变形，围岩应力不断向深部迁移，锚固力不断散失。
②软岩巷道的大变形，特别是深部岩体和浅部岩体的非均匀变形在锚固剂上产生较大的剪力，相应地要求锚杆提供更大的锚固力。
预防松软围岩松漏冒顶措施：
根据上述分析，改善松软围岩锚杆支护效果，预防松软围岩松漏冒顶，可以从以下途径解决：
① 加大锚杆长度。随着围岩深度的增加，围岩应力增加。单位长度锚杆受到的剪力越大，锚固效果越好。
② 加大锚杆直径，锚杆直径增大，锚杆受到的剪力增大。
③ 加强护表构件的作用，改善围岩的应力状态，通过人为因素控制锚杆及其他相关配套支护材料，形成均衡的围岩—锚杆支护系统，增强锚杆在破裂围岩中的可锚性。
④ 采用锚注支护可以大大提高锚杆的锚固效果。锚注支护的重要作用之一是提高围岩的残余强度。围岩的自承能力增强，围岩的应力提高。锚杆的锚固效果大大提高。
⑤ 锚杆受剪切发生断裂的数量多，因此对钢带端部锚杆被剪断现象要引起重视。

软岩巷道围岩变形规律
（1）软岩巷道围岩变形的影响因素
① 岩石本身的强度、结构、胶结程度及胶结物的性能、膨胀性矿物的含量等岩石性质是影响软岩巷道围岩变形的内部因素。
② 自重应力、残余构造应力、工程环境和施工的扰动应力，特别是诸应力的叠加状况和主应力的大小。方向是影响软岩巷道围岩变形的主要的外部因素。
③ 膨胀性软岩浸水后颗粒表面水膜增厚、间距加大、连结力削弱，体积急剧增大，同时引起岩石内部阴历不均，容易破坏。因此，地下水和工程用水对膨胀岩危害性极大。
④ 对扰动的敏感是软岩的特性之一，邻近巷道施工、采面回采的震动对软岩巷道围岩变形的影响较大。
⑤ 软岩具有明显的流变特性，时间也是不可忽略的影响因素。
（2） 软岩巷道围岩变化规律
① 软岩巷道围岩变形具有明显的时间效应。表现为初始变形速度很大，变形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，持续时间很长。如不采取有效的支护措施，由于围岩变形急剧增大，势必导致巷道失稳破坏。
② 软岩巷道多表现为环向受压，且为非对称性。软岩巷道不仅顶板变形易冒落，底板也产生强烈底鼓，并引发两帮破坏顶板坍塌。
③ 软岩巷道围岩变形随埋深增加而增加，存在一个软化临界深度，超过临界深度变形量急剧增加。
④ 软岩巷道围岩变形在不同的应力作用下，具有明显的方向性。巷道自稳能力差，自稳时间短。

围岩压力分析计算设计方法
围岩压力计算见图
计算跨度之半

式中 —巷道宽度一半，m;
—巷高，m；
—岩石内摩擦角。
对粘土及破碎松散岩石

式中 —普氏系数；
—折减后抗压强度；
—岩石容重；
—巷道埋深。
按岩石抗压强度计算 ，
塌落拱高
垂直岩压
侧壁岩压