煤巷復合頂板變形破壞機理與與錨桿（索）支護作用的探究

（陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713602）

煤巷復合頂板變形破壞機理與與錨桿（索）支護作用的探究

張連良 王 勝 陳方明

（陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713602）

煤巷復合頂板變形破壞現象日益增多，嚴重威脅煤礦的安全生產。在復合頂板的煤巷中，保持復合頂板及兩幫穩定，控制和減小圍巖的變形，提高圍巖整體穩定性，已經成為該類巷道管理的關鍵點。本文以亭南煤礦二盤區204工作面順槽煤巷復合頂板為研究對象，在分析煤巷復合頂板錨桿變形破壞機理的基礎上，對復合頂板煤巷的錨桿（索）支護作用進行探討和研究。

復合頂板；變形破壞；錨桿（索）支護

亭南煤礦二盤區開采彬長礦區4號煤層，煤層厚15.8～22.8m，平均厚度19.1m，平均傾角4°。4號煤層位于侏羅系中統延安組，煤層局部含偽頂，其巖性為炭質泥巖、泥巖，厚度一般小于0.3m，穩定性差，隨采隨落，屬不穩定巖體。本盤區采用分層開采綜合機械化采煤法，上分層開采6m。204工作面為首采工作面，兩順槽掘進期間預留2.5m厚的頂煤。預留的2.5m厚頂煤中含1～3層厚0.1～0.5m厚的夾矸，夾矸巖性為泥巖及炭質泥巖，從而形成了由煤層和泥巖相互間隔的復合頂板結構。

1 亭南煤礦復合頂板錨桿支護變形破壞機理分析

錨桿支護前由于巷道開挖后應力的釋放使復合頂板受力突然增大，應力全部集中于頂板煤層軟弱夾層上，造成軟弱夾層與上部穩定巖層產生較大離層和斷裂破壞，進而造成普通巖層的破壞。軟弱夾層的離層和斷裂同時也加劇了普通巖層的離層和斷裂，造成巷道頂板整體破壞和失穩，最后形成一冒落拱。這一過程從開始掘進到最后破壞是在很短時間內完成的。

錨桿支護后，軟弱夾層的應力集中現象得到了明顯改善，但這并不是說軟弱夾層處不會發生破壞，而是這種破壞沒有支護之前那么明顯。由于預應力錨桿的作用，對軟弱夾層來說，它又重新受到三向應力作用，但是由于軟弱夾層的不穩定性加之巷道開挖后和支護導致有些地下水會滲入軟弱夾層，所以支護后軟弱夾層在一定的時間內還是有可能發生較為劇烈的變形破壞，進而導致其它堅硬巖層一起發生撓曲變形，并最終使頂板變形趨于穩定。巷道頂板會有下沉，但是由于錨桿的支護作用巷道頂板下沉會較小，而且這個過程持續時間不長。

通過以上分析可知，我們可以知道亭南煤礦復合頂板的變形主要是：巷道在開挖后還沒有支護前的短暫時刻從原來的三向受力狀態突然變為二向受力，這時各巖層的受力突然增大，特別是軟弱夾層在這一階段有可能因為突然較大應力的作用而破壞，這一短暫過程實質上和前面的沒有支護的破壞是一樣的。在經過這一短暫過程后，經過支護，由于預應力錨桿的作用，對軟弱夾層來說，又重新受到三向應力作用，所以它不再會像無支護那樣在破壞后進行無約束的變形，在水平方向構造應力作用下復合頂板各巖層隨其他堅硬巖層一起進行撓曲變形。

2 亭南煤礦復合頂板錨桿（索）作用機理分析

在復合頂板圍巖中，錨桿起著非常明顯的組合加固作用，一方面體現在錨桿的錨固力增加了各巖層間接觸壓力，避免各巖層間出現離層現象；另一方面增加了巖層間的抗剪強度，阻止巖層間的水平錯動，它大大減小圍巖變形和彎曲張力，從而起到加固圍巖提高其自穩自承能力的作用。復合頂板煤巷兩幫變形對頂板穩定性有較大影響，因而增加兩幫煤體的支護強度，控制其變形、破壞是對復合頂板的有效支撐。因此復合頂板煤巷兩幫支護強度和煤體殘余強度的提高是該類巷道圍巖控制的關鍵之一。

在復合頂板的支護過程中，單一采用錨桿支護往往不足以保證煤巷復合頂板支護的安全，這是由于復合頂板的厚度一般都大于錨桿錨固范圍的厚度。亭南煤礦204工作面兩順槽復合頂板厚度大于2.5m，而錨桿支護長度僅為2.1m。由于錨桿的錨固范圍有限，錨桿錨固范圍之外產生的離層就會導致頂板下沉和垮落，造成巷道的整體失穩，出現頂板垮落、兩幫片幫等現象，導致巷道的破壞。為了提高巷道整體的穩定性，必須在常規錨桿支護的基礎上采取其他的加強支護的措施。補打錨索加強支護是常用的措施之一。錨索主要有以下兩方面的作用：一是通過高預緊力控制復合頂板的早期離層；二是利用錨索的高破斷力將潛在的垮落范圍內的頂板巖層懸吊在頂板深部較穩定的老頂巖層上，減小頂板巖層的下沉量，阻止錨桿錨固范圍內的復合頂板巖層垮落，發揮懸吊理論的作用。

通過分析我們可以明確亭南煤礦204工作面順槽復合頂板的變形破壞規律是：復合頂板在垂直方向自重應力作用下產生撓曲變形，而水平方向的構造應力又加劇了復合頂板的變形，最終導致復合頂板失穩破壞。在204工作面順槽中，由于巷道的開挖使復合頂板突然從原來的三向受力狀態變為兩向受力，頂板各巖層受力的作用產生變形甚至破壞（夾矸由于強度低、厚度小在這個時候首先破壞），而頂板巖層同時受到水平方向構造應力作用加劇了頂板巖層的撓曲變形，最終引起對頂板失穩破壞。

結語

通過對亭南煤礦煤巷復合頂板變形破壞機理與錨桿（索）支護作用的分析，我們可得知采用組合梁理論來進行頂板錨桿的支護設計，采用冒落拱理論來進行錨索的設計，對減小復合頂板下煤巷離層下沉量和提高圍巖的穩定性具有重要的參考價值。

[1]潘永健,衛進．工作面巷道超前支護設備的設計[J]．中國煤炭，2009（03）：64-66．

[2]楊峰．復合頂板動壓巷道變形破壞機理與錨桿支護技術研究[D]． 山東科技大學, 2006．

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