采區巷道復合頂板變形破壞規律技術研究

張連良 王勝

(陜西長武亭南煤業有限責任公司,陜西咸陽 713602)

采區巷道復合頂板變形破壞規律技術研究

張連良 王勝

(陜西長武亭南煤業有限責任公司,陜西咸陽 713602)

長期以來,國內外很多專家學者對煤礦巷道復合頂板變形機理和控制技術做了大量的研究工作,取得了一批重要的理論研究成果,提出了眾多的復合頂板控制實用技術。然而,這些研究很少對整個復合頂板進行受力分析和變形分析,沒有意識到加固后的復合頂板本身也是支撐體,可以支護圍巖。

復合頂板 控制技術 破壞規律

錨桿支護是我國煤巷支護技術改革的發展方向。自從80年代中后期在徐州、新汶、淮南、西山等少數幾個礦區進行一些基礎性的研究和試驗以來，經過20余年的發展，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巷道中使用錨桿支護的問題已經完全解決，目前我國國有大中型煤礦煤巷錨桿支護應用的比例已經達80%。

1 復合頂板的概念

復合頂板結構一般為軟硬巖互層，或有煤線及軟弱夾層存在，巖層間粘結力極低，弱面發育，很容易發生頂板離層，造成冒頂事故。復合頂板支護的難度在于巖層間的結合力低，有軟夾層地質弱面存在，普通錨桿無法錨固到上部穩定巖層中，承載能力有限。而且軟夾層本身的松動膨脹也會對下位巖層形成較大的垂直載荷，加上受采動影響，易造成錨桿與錨固頂板整體垮落。

2 煤巷復合頂板變形破壞的力學機理

復合頂板區別于其他層狀頂板的根本構造原因就在于復合頂板中存在軟弱夾層，軟弱夾層本身的強度變形特性就比較復雜，復合頂板失穩破壞就開始于軟弱夾層，因此這部分著重分析復合頂板中軟弱夾層在頂板支護前后的力學狀態。

3 復合頂板在水平方向構造應力和垂直方向自重應力作用下的受力狀態

復合頂板在水平方向的構造應力作用主要表現為壓應力，頂板各巖層所受的水平方向的構造應力大小與各層厚度有關。下面我們先來分析復合頂板各巖層都承受多大的水平方向構造應力。

4 復合頂板的撓曲變形機理分析

巷道開挖后，巷道圍巖為承載的主體結構。對于復合頂板，一般直接頂分層厚度較薄，分層厚度與巷道跨度之比基本滿足薄板假定，因此可視為薄板結構。

復合頂板內各巖層的破壞雖然是始于軟弱夾層，但對整個復合頂板巷道而言其破壞宏觀上是從頂板最表層開始破壞失穩并逐漸向上擴展。若頂板巖性均勻，則位于表面的第一層巖石最容易發生屈曲破壞，第一層發生屈曲破壞后與第二層分離，第二層成為表面層其受力狀態與第一層相似，如滿足屈曲破壞條件將發生屈曲破壞，第三層又成為表面層，如此循環，直到某一巖層不滿足屈曲破壞條件為止。因此我們取復合頂板最下層巖層為研究對象，研究其撓曲變形機理。

從上面分析我們可以看出，隨著垮厚比的增大，臨界應力減小，頂板穩定性惡化，也就是說當巷道和頂板巖石的單軸抗壓強度不變時，層狀頂板分層厚度對頂板的穩定性有重要影響，分層厚度越小，垮厚比越大，頂板發生屈曲破壞的臨界應力越小，頂板也就越容易失穩。

圖1 復合頂板變形破壞規律

5 復合頂板變形破壞規律分析

通過前面關于復合頂板受力狀態的分析我們可知復合頂板在自重應力和構造應力作用下的變形規律為：①結構承載調整，巷道在開挖后復合頂板由原來的三向應力狀態突然變為雙向應力狀態，頂板巖層應力釋放并產生一定量的下沉;②結構剛度弱化，軟弱夾層在荷載作用下破壞，降低了復合頂板的整體剛度，使頂板結構弱化，造成巷道頂板發生較大的二次變形;③應力調整，復合頂板中其他巖層進行應力調整，產生少量的撓曲變形;④結構失穩(或穩定)，若巷道頂板能夠承受圍巖荷載則經過應力調整后頂板變形趨于穩定，巷道頂板不會失穩破壞;若巷道頂板不能承受圍巖荷載則經過應力調整后頂板劇烈變形并失穩破壞。(見圖1)

6 復合頂板變形破壞影響因素分析

煤巷復合頂板的失穩變形是在地應力、圍巖力學性質、圍巖結構、巷道斷面等因素共同作用下產生的。由上面的分析可知對復合頂板穩定性影響的因素主要有以下幾點：

(1)地應力，地應力包括水平方向的構造應力和垂直方向的自重應力，它們是引起煤巷復合頂板變形和破壞的根本原因，復合頂板在垂直方向的自重應力作用下產生彎矩，在復合頂板各巖層中表現為產生拉應力，導致頂板軟弱夾層被拉壞甚至堅硬巖層被拉壞;水平方向的構造應力在復合頂板各巖層中產生壓應力，這對垂直方向的自重應力產生的拉應力起減弱作用，水平方向的構造應力增大了復合頂板各巖層的撓曲變形，因此在進行復合頂板支護設計時不能忽視水平方向的構造應力的作用。

(2)圍巖力學性質，圍巖力學特性對復合頂板的穩定性有重要影響。表征圍巖力學特性的物理量主要有：圍巖強度、彈性模量、內摩擦角、凝聚力、泊松比等，頂板圍巖的力學參數越高，頂板應力越小、變形越小，巷道越穩定。

(3)圍巖結構，煤層巷道圍巖一般呈層狀分布，并且不同程度地受節理、裂隙的切割。巷道頂板巖層各分層的巖性、厚度及節理裂隙發育程度對頂板的穩定影響極大。在巷道頂板巖性一定的情況下，分層厚度、節理裂隙間距越大，巷道頂板穩定性越好，那么頂板離層值就越小。對復合頂板而言，由于軟弱夾層的存在，復合頂板在不支護的條件下很難保持穩定。從復合頂板的支護就是要盡量減少單個分層的厚度，提高復合頂板的整體性。

(4)巷道斷面，巷道斷面的大小也對復合頂板的穩定有重要影響。巷道跨度愈大，復合頂板應力越大，愈不利于巷道頂板的穩定。因此，在保證生產的條件下應盡量減小巷道尺寸，同時應加強巷幫的支護。因為巷道在受到回采動壓的影響時，兩幫煤壁有可能會因承受巨大的支撐壓力而片幫，片幫將擴大巷道跨度并改變懸空頂板的支承條件，從而擴大巷道的跨度。

7 結語

綜上所述，要改善煤巷復合頂板的受力狀態，維護復合頂板的穩定性就要從以上幾個方面著手。在保證安全生產的條件下盡量減小巷道尺寸、加強巷幫支護，采用錨桿支護、注漿等方法改善頂板圍巖的力學性質和圍巖結構。

[1]馬慶虎,賈春雨.12CM系列煤巷復合頂板系統分析[J].中國煤炭,2007,2(4)：55-57.