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摘要：针对断层区煤巷顶板破断的问题，研究了顶板应力分布规律，分析了不同顶板压力、跨高比和支护强度等因素下的顶板破断机制。从理论上研究得出顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增加而增加，并呈现出三种不同的破断形式，断层区域的断层巷道应该尽可能早的安装强力的支护设施，以增强其支护强度，正断层巷道在断层面周围应该增强护表效果，从而实行先控后抗的支护策略，体现了有效的发挥支护结构的作用，还能有效利用围岩的自身承受能力。利用上述的支护方案对于焦作矿区断层区预防顶板破断有显著的效果。
关键词：煤巷断层 顶板破断 分析 支护结构 预防
顶板破断事故是煤矿生产中的五大灾害之一，一旦灾害发生，其后果相当严重，据统计，顶板事故造成的人员伤亡事故对于煤矿总的死亡事故占了很大的比例，大概在四成以上，造成的伤亡比例为所有事故伤亡人数的50%，虽然事故因素多种多样，但断层占据了比较大的比例，并且断层极易引起顶板整体破断垮塌，造成更为严重的后果，所以研究煤巷断层区顶板破断机制分析和支护结构对策对煤矿业有很重大的意义。
1 断层区顶板事故的原因研究
根据以往在作业中发生的顶板事故，研究分析出了断层区巷道变形破断和冒落等的主要因素，分为如下三点：一是地质条件突变，煤矿区由于地质条件极其复杂，在煤巷工作中往往都面临着地质条件突变影响。特别对于断层破碎带等围岩条件的剧变，通常的支护预防方案并不能及时的去适应围岩结构的剧烈地变化，不能很好的做到预防的作用，使得风险事故的发生；二是顶板的破断机制不明确，顶板结构不是单一的，在遇到断层后，对于断层区的顶板变形破断机制没有一个明确的认识，使得断层区的围岩支护结构有很大的盲目性；三是在设计时的设计不到位、不合理，通常都是根据一般的经验来进行设计，不具备针对性，断层区顶板事故的发生我们认为这是一个最主要的原因，设计的支护方案不具备针对性，有些地方设计的甚至是不合理的，使得断层构造发生后支护结构不能有效的进行支撑保护，错失了支护的最佳时间，留下了极严重的风险隐患。
2 断层区顶板破断机制的研究
煤巷都是从断层的一盘跨越到另一盘，本文仅仅研究的是断层区危险性最大的下降盘水平掘进到上升盘，当软弱顶板（例如原直接顶为2-5m厚的泥岩）厚度逐渐增加，原来的支护措施不能及时有效的控制增加的软弱顶板变形，使得形成一种顶板悬臂梁的结构，当该悬臂梁结构破断时，整个支护结构将受到严重的破坏。根据以往对地下工程顶板失稳现象的研究，再结合断层区顶板破断的事故进行分析，建立顶板弹性深梁力学模型。
2.1 建立力学模型的前提条件。断层分为正断层和逆断层，所以正断层模型和逆断层模型都要进行科学的建立。当地质在突变过后，地质条件的变得极其脆弱而复杂，使得顶板周围的地质强度下降，支护的措施不能随地质改变而改变，不能及时的适应突变的地质，造成支护强度降低，从而发生垮塌的事故。下图为巷道顶板垮落横截面示意图，我们就以该基础进行了巷道轴向纵剖面上的顶板受力变形破断机制。
我们将薄的直接顶板1通过粘合的方式与最上的坚硬的顶板1紧紧的结合起来，并把它们作为一个整体的稳定变形体，最终都不会遭到破坏，如下图：
2.2 研究简单力学模型的建立。①研究中把由多层岩层组成的直接顶板2看作一个整体，并将其作为直接的研究对象，把其横截面简化成简单的矩形，可以按平面应力的方式来进行研究。②为了在模型中方便计算，研究中把断层走向和巷道轴线之间的夹角认为90°，并认为煤岩是连续均匀的水平弹性体。③我们把直接的顶板2外端设成约束的固定端。④因为实际情况中的顶板结构相对很复杂，在研究时，尽量采取简单类似的情况进行，把顶板作用力p1和直接顶板的重量γh简化成一个恒定大小的均匀荷载p，直接的作用在直接顶板2的岩梁表面。把结构中的支护抗力Fs和FB一起简化成一个均匀荷载q作用于下表面。FB是在图1中垮落面上部对垮落体的作用力，可以看成是下方对垮落体的支护力的一部分。综上所述，我们可以建立如下的正断层图和逆断层图：
2.3 根据以上的力学模型，来分别的计算应力分量和最大的效剪应力（由于计算过于复杂，此处不予详细列举）。
3 支护对策在煤矿工程中的运用
3.1 支护对策的研究。根据对断层区的顶板破断情况进行了分析，并结合了实际情况，主张以锚索梁为主，即在破碎区域运用注浆加固的方法在煤巷断层区使用，该支护运用的是高强让压型锚索组合梁的支护结构，其系统的主要关键构件有箱型支护梁、锚索让压环、高预应力锚索构成的让压型锚索组合梁与高强锚杆，与此同时可以给其装备钢带、金属网和托盘等配套设施设备。该支护结构和传统的槽钢锚索梁支护结构和工字钢支护结构相对比有几个明显的优势，它具有可让压、高强、高刚、护表面积大等特点。运用上述的方案可以很好的满足顶板深梁理论分析结构为基础的支护要求，对正断层和逆断层均有比较好的支护效果。①锚索组合梁支护结构和锚杆（索）结构进行比较，前者不仅可以提供一个相对更大的支护力，加强支护的强度，并对系统进行了优化，在悬臂岩梁自由端增加一个有效的支护荷载，以减小梁内最大的有效剪應力，提升了结构的寿命。②锚索梁在支护中可以利用锚索把直接顶的作用力传递到周围的稳定岩层上，再和组合型支护共同作用，改善了整个支护系统的受力状态。③支部结构把长锚索预应力利用组合型支护梁将直接作用于直接顶的表面，使得护表面积和预应力范围同时得到了增加，顶板支护效果也得到加强，减少了顶板剥落失稳现象。④让压型锚索组合梁结构能在施工后就可以及时的进行传力支护，当支护周围的岩压力达到一定程度时，该结构系统进行让压措施，此后由组合型支护梁进行支护保护，不仅保障了支护周围岩土结构的完整、不剧变，还从根本上最大限度的运用了岩土的自承能力。⑤在巷道顶板断层的极易破碎处，把注浆锚杆、锚索同时有机结合的方式来加固巷道的破碎区域，加强破碎区域围岩的完整性，提高其自身承受能力，保障顶板的稳定。
3.2 工程实例。煤业矿区由于埋度大、地层条件复杂、地应力高，存在多处的断层结构，根据防治断层区顶板破碎失稳相关建议，采用高强让压型锚索组合梁支护方案进行施工，有效的避免顶板破断情况，并使巷道安全顺利的跨过了断层的破碎处。结果表明，断层区的巷道变形始终保持着变化极小的状态，达到了很良好的支护效果。和以前的架棚式支护和其他支护相比较，其特点还是相对比较突出的。下图是让压型锚索组合型梁在实际使用中的效果图（在15091运输巷，为期一个月），并给出了煤巷断层区变形监测结果图。
参考文献：
[1]王琦，李术才，李为腾等.基于地质预报的煤巷顶板事故防治研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29（1）：14-20.
[2]李芳玉.有关煤巷掘进过断层及进尺的分析与探讨[J].企业技术开发：中旬刊，2012（10）：166-167.
[3]高杰.深井复杂条件下煤巷支护技术[J].山东煤炭科技，2008（1）：11，13.
[4]郭军杰，韩春晓，涂兴子等.煤巷掘进过断层方法[J].矿山压力与顶板管理，2004，21（2）：39-40，43.
作者简介：
任建辉（1986-），男，河南郑州人，焦煤能源古汉山矿，副科长，助理工程师，研究方向：煤矿采掘设计及技术管理。
关键词：煤巷断层 顶板破断 分析 支护结构 预防
顶板破断事故是煤矿生产中的五大灾害之一，一旦灾害发生，其后果相当严重，据统计，顶板事故造成的人员伤亡事故对于煤矿总的死亡事故占了很大的比例，大概在四成以上，造成的伤亡比例为所有事故伤亡人数的50%，虽然事故因素多种多样，但断层占据了比较大的比例，并且断层极易引起顶板整体破断垮塌，造成更为严重的后果，所以研究煤巷断层区顶板破断机制分析和支护结构对策对煤矿业有很重大的意义。
1 断层区顶板事故的原因研究
根据以往在作业中发生的顶板事故，研究分析出了断层区巷道变形破断和冒落等的主要因素，分为如下三点：一是地质条件突变，煤矿区由于地质条件极其复杂，在煤巷工作中往往都面临着地质条件突变影响。特别对于断层破碎带等围岩条件的剧变，通常的支护预防方案并不能及时的去适应围岩结构的剧烈地变化，不能很好的做到预防的作用，使得风险事故的发生；二是顶板的破断机制不明确，顶板结构不是单一的，在遇到断层后，对于断层区的顶板变形破断机制没有一个明确的认识，使得断层区的围岩支护结构有很大的盲目性；三是在设计时的设计不到位、不合理，通常都是根据一般的经验来进行设计，不具备针对性，断层区顶板事故的发生我们认为这是一个最主要的原因，设计的支护方案不具备针对性，有些地方设计的甚至是不合理的，使得断层构造发生后支护结构不能有效的进行支撑保护，错失了支护的最佳时间，留下了极严重的风险隐患。
2 断层区顶板破断机制的研究
煤巷都是从断层的一盘跨越到另一盘，本文仅仅研究的是断层区危险性最大的下降盘水平掘进到上升盘，当软弱顶板（例如原直接顶为2-5m厚的泥岩）厚度逐渐增加，原来的支护措施不能及时有效的控制增加的软弱顶板变形，使得形成一种顶板悬臂梁的结构，当该悬臂梁结构破断时，整个支护结构将受到严重的破坏。根据以往对地下工程顶板失稳现象的研究，再结合断层区顶板破断的事故进行分析，建立顶板弹性深梁力学模型。
2.1 建立力学模型的前提条件。断层分为正断层和逆断层，所以正断层模型和逆断层模型都要进行科学的建立。当地质在突变过后，地质条件的变得极其脆弱而复杂，使得顶板周围的地质强度下降，支护的措施不能随地质改变而改变，不能及时的适应突变的地质，造成支护强度降低，从而发生垮塌的事故。下图为巷道顶板垮落横截面示意图，我们就以该基础进行了巷道轴向纵剖面上的顶板受力变形破断机制。
我们将薄的直接顶板1通过粘合的方式与最上的坚硬的顶板1紧紧的结合起来，并把它们作为一个整体的稳定变形体，最终都不会遭到破坏，如下图：
2.2 研究简单力学模型的建立。①研究中把由多层岩层组成的直接顶板2看作一个整体，并将其作为直接的研究对象，把其横截面简化成简单的矩形，可以按平面应力的方式来进行研究。②为了在模型中方便计算，研究中把断层走向和巷道轴线之间的夹角认为90°，并认为煤岩是连续均匀的水平弹性体。③我们把直接的顶板2外端设成约束的固定端。④因为实际情况中的顶板结构相对很复杂，在研究时，尽量采取简单类似的情况进行，把顶板作用力p1和直接顶板的重量γh简化成一个恒定大小的均匀荷载p，直接的作用在直接顶板2的岩梁表面。把结构中的支护抗力Fs和FB一起简化成一个均匀荷载q作用于下表面。FB是在图1中垮落面上部对垮落体的作用力，可以看成是下方对垮落体的支护力的一部分。综上所述，我们可以建立如下的正断层图和逆断层图：
2.3 根据以上的力学模型，来分别的计算应力分量和最大的效剪应力（由于计算过于复杂，此处不予详细列举）。
3 支护对策在煤矿工程中的运用
3.1 支护对策的研究。根据对断层区的顶板破断情况进行了分析，并结合了实际情况，主张以锚索梁为主，即在破碎区域运用注浆加固的方法在煤巷断层区使用，该支护运用的是高强让压型锚索组合梁的支护结构，其系统的主要关键构件有箱型支护梁、锚索让压环、高预应力锚索构成的让压型锚索组合梁与高强锚杆，与此同时可以给其装备钢带、金属网和托盘等配套设施设备。该支护结构和传统的槽钢锚索梁支护结构和工字钢支护结构相对比有几个明显的优势，它具有可让压、高强、高刚、护表面积大等特点。运用上述的方案可以很好的满足顶板深梁理论分析结构为基础的支护要求，对正断层和逆断层均有比较好的支护效果。①锚索组合梁支护结构和锚杆（索）结构进行比较，前者不仅可以提供一个相对更大的支护力，加强支护的强度，并对系统进行了优化，在悬臂岩梁自由端增加一个有效的支护荷载，以减小梁内最大的有效剪應力，提升了结构的寿命。②锚索梁在支护中可以利用锚索把直接顶的作用力传递到周围的稳定岩层上，再和组合型支护共同作用，改善了整个支护系统的受力状态。③支部结构把长锚索预应力利用组合型支护梁将直接作用于直接顶的表面，使得护表面积和预应力范围同时得到了增加，顶板支护效果也得到加强，减少了顶板剥落失稳现象。④让压型锚索组合梁结构能在施工后就可以及时的进行传力支护，当支护周围的岩压力达到一定程度时，该结构系统进行让压措施，此后由组合型支护梁进行支护保护，不仅保障了支护周围岩土结构的完整、不剧变，还从根本上最大限度的运用了岩土的自承能力。⑤在巷道顶板断层的极易破碎处，把注浆锚杆、锚索同时有机结合的方式来加固巷道的破碎区域，加强破碎区域围岩的完整性，提高其自身承受能力，保障顶板的稳定。
3.2 工程实例。煤业矿区由于埋度大、地层条件复杂、地应力高，存在多处的断层结构，根据防治断层区顶板破碎失稳相关建议，采用高强让压型锚索组合梁支护方案进行施工，有效的避免顶板破断情况，并使巷道安全顺利的跨过了断层的破碎处。结果表明，断层区的巷道变形始终保持着变化极小的状态，达到了很良好的支护效果。和以前的架棚式支护和其他支护相比较，其特点还是相对比较突出的。下图是让压型锚索组合型梁在实际使用中的效果图（在15091运输巷，为期一个月），并给出了煤巷断层区变形监测结果图。
参考文献：
[1]王琦，李术才，李为腾等.基于地质预报的煤巷顶板事故防治研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29（1）：14-20.
[2]李芳玉.有关煤巷掘进过断层及进尺的分析与探讨[J].企业技术开发：中旬刊，2012（10）：166-167.
[3]高杰.深井复杂条件下煤巷支护技术[J].山东煤炭科技，2008（1）：11，13.
[4]郭军杰，韩春晓，涂兴子等.煤巷掘进过断层方法[J].矿山压力与顶板管理，2004，21（2）：39-40，43.
作者简介：
任建辉（1986-），男，河南郑州人，焦煤能源古汉山矿，副科长，助理工程师，研究方向：煤矿采掘设计及技术管理。