回采巷道離層破碎型頂板失穩機理與控制實踐

王紅兵

（山西晉煤集團 澤州天安靖豐煤業有限公司，山西 晉城048012）

井下煤巖體由不同時代形成的層狀巖石組成，煤層與上方堅固巖層之間往往夾有一層至數層不穩定巖層。不穩定巖層上方巖層具有厚度大、強度高等特點，不易受到巷道開挖影響，具有較好的自穩能力；不穩定巖層具有強度低、層厚小、節理裂隙發育程度高等特點，易在外界擾動的影響作用下出現離層或變形破壞，這層巖石又被稱為離層破碎頂板巖層〔1－2〕。對于離層破碎型頂板最常用的支護方式為錨桿／錨索支護和金屬支架支護，錨桿／錨索支護控制破碎頂板主要發揮的是其懸吊作用，可將破碎頂板錨固在上方堅固巖層中，但鑒于國內諸多煤礦頂板和煤體結構的復雜性，普通錨桿／錨索控制離層破碎型頂板效果并不理想；金屬支架主要包括U型鋼支架和工字鋼梯形棚支架，這類支架支護效果不佳，勞動強度高，綜合經濟性較差。有關資料顯示，離層破碎型頂板在采掘過程中最易引發頂板冒漏，而國內頂板冒漏事故往往占據礦井事故死亡人數的50%以上，故如何控制離層破碎型頂板顯得尤為重要。現以山西靖豐礦為例，進行離層破碎型頂板控制機理和控制實踐研究。

1 離層破碎型頂板失穩機理

通過對采掘工作面的現場觀察，結合國內對離層破碎型頂板支護研究，認為離層破碎型頂板失穩主要形式為頂板冒漏，引起該類頂板出現頂板冒漏的原因是圍巖自穩性能力差，即使采取了相應的支護措施，也難以保證頂板的穩定。根據離層破碎型頂板冒漏的形式，將其分為松脫型冒漏、擠壓型冒漏和推垮型冒漏三種〔3－4〕。松脫型冒漏主要發生在巷道掘進過程中，巷道開挖后巖體應力重新分布，離層破碎型頂板會出現潛在冒漏趨勢，若支護不及時，輔以巷道開挖擾動作用變會造成巷道出現松脫型冒漏，松脫型冒漏的主要特征是巷道頂板冒漏區存在明顯的不規則斷茬狀；擠壓型冒漏主要是受到巷道變形影響作用造成巷道兩幫煤巖體向頂板擠壓，促使頂板彎曲下沉，在此過程中破碎頂板出現擠壓型冒頂，擠壓型的最明顯特征是伴隨著巷道的收斂變形；離層破碎型頂板失去了上方堅固巖層的依存和控制，在自重作用下依存在支護結構上，當支護結構受到水平外力的作用時會造成上方破碎頂板橫向移動，最終導致推垮型頂板冒漏的出現，推垮型冒漏多出現在采場空間內。另外，松脫型冒落若控制不及時，冒落區上部巖層會出現大量的裂隙，錨固強度和圍巖穩定性急劇降低，可能導致錨固區內出現頂板離層，甚至出現錨固區內頂板整體冒落。

2 離層破碎型頂板承載結構和穩定性力學分析

學者趙志堂在研究離層破碎型頂板支護時提出該類頂板承載結構關鍵梁結構和強化承載拱結構〔5〕。關鍵梁結構適用于關鍵層距離巷道頂板較近的薄層狀離層破碎頂板，該力學結構分析見式（1）所示。

式中：P0為支護體系承載強度，kPa；W0為關鍵層下方巖體自重，kPa；k0為頂板巖體抗拉系數，取2.5～4.0；P1為支護體系初始支護強度，kPa；W為松動巖體自重，kPa；k1為頂板巖體防松動系數，離層破碎型巖層一般取1.5～2.0。

由分析可知，滿足頂板穩定的關鍵在于：① 支護體系的承載力超過關鍵層下方巖體自重；② 支護體系的初始力超過松動巖體的自重。

強化承載拱結構適用于關鍵層距離巷道頂板較遠的厚層狀離層破碎頂板，該力學結構分析見式（2）所示。

式中：P2為支護體系提供的巖體滑移剪切面上的抗剪力；k2為抗剪系數，一般取3.0～4.0；J0為支護范圍內巖體下滑極限剪力。

由分析可知，滿足頂板穩定的關鍵在于：① 支護范圍內不存在弱面離層；② 支護體系提供的巖體滑移剪切面上的抗剪力不低于支護體系范圍內破碎巖體下滑產生的極限剪切力。

3 支護體系結構的提出

當前支護理論認為，提高支護體系的強度有助于提高巷道圍巖的穩定性，故高強支護錨桿得到了越來越廣泛的應用。但是對于煤層賦存條件和圍巖結構復雜的回采巷道，尤其是對于離層破碎型頂板巷道而言，這種支護方式不能夠完全促使離層破碎頂板與上方堅固圍巖體形成統一結構，難以發揮高強錨桿所具備的懸吊作用和組合拱作用，在采掘工程擾動或者礦山壓力作用下極易出現支護體系的失效。康紅普教授通過理論分析、數值模擬和現場試驗提出了高預應力強力支護理論〔6〕，該理論認為：①巷道圍巖變形主要包括圍巖出現離層、開裂和滑動等不連續變形和圍巖的彈塑性連續性變形；② 高預應力支護體系可以有效阻止支護區圍巖的離層和改善圍巖深部應力狀態；③預應力支護體系所提供的預應力可以擴散到深部圍巖體內，即使支護力較小也可以對巷道圍巖變形起到較好的控制效果。基于此，可采用高強度預應力錨桿／錨索配合相應的W鋼帶、金屬網等來預防離層破碎型頂板冒漏。

高強度預應力錨桿采用無縱筋螺紋鋼加工制成，其強度和延伸率與高強度錨桿相符，其與普通錨桿相比主要具備的優點為：① 能夠給予圍巖體提供較大的預緊力，在及時支護狀態下即可滿足巷道松動巖體所需穩定載荷；② 通過扭矩螺母和雙重減摩墊圈的使用最大限度的提高錨桿預緊力，同時減摩墊圈的變形可直接顯示預緊力錨桿安裝效果。高預應力錨索可配合W鋼帶形成錨索桁架，錨索桁架將巷道頂角處深部巖體作為支護結構的錨固點，這樣可將錨索張拉力直接作用于頂板錨固區，可有效預防離層破碎型頂板冒漏發生。

4 工程應用實踐

4.1 工作面概況

3307工作面位于靖豐礦3采區東北部，其南部為3305工作面采空區，北部為3309工作面回風巷，東部為實體煤。該工作面所采煤層為山西組3＃煤層，煤層厚度為4.2～5.6m，平均5.2m；煤層傾角為6°～12°，平均8.5°，煤體松軟易碎，節理裂隙發育程度較高，屬于穩定可采厚煤層。工作面設計走向和傾向長度分別為1725m和130m，巷道規格（高×寬）為3900mm×5200mm，底板標高為－420 m～－470m，采用U型通風方式和機械化一次采全高開采技術。工作面頂底板巖性較復雜，上部和底部各含一層0.5～0.75m的泥巖，直接頂為厚5.6～7.2m的泥巖－砂質泥巖－煤線互層，基本頂為厚6.2～11.5m的粗粒砂巖－粉砂巖。

4.2 巷道支護實踐

根據離層破碎型頂板失穩機理和離層破碎型頂板承載結構和穩定性力學分析，確定采用高預應力錨桿／錨索配合W鋼帶對巷道進行聯合支護。3307工作面回采巷道支護見圖1。

圖1 3307工作面回采巷道支護示意

具體支護參數確定如下：

（1）頂板支護：采用屈服極限為500MPa的Φ22×2400mm型高預緊力錨桿，錨固深度為1200mm，錨桿間排距為800mm×800mm；采用預緊力不低于150kN的Φ17.8×8500mm錨索，錨固深度為1650mm，錨桿采用三花狀布置，間排距為1600mm×800mm；配合錨桿和錨索使用的W鋼帶長為3000mm，寬為80mm。

（2）兩幫支護：采用預緊力不低于300N·m的Φ22×2000mm型高預緊力錨桿，錨固深度為800mm，錨桿間排距為800mm×800mm；配合錨桿使用的 W鋼帶長為3000mm，寬為80mm。

為了掌握預緊力錨桿／錨索配合 W鋼帶支護條件下3307工作面回采巷道穩定性，在距離工作面煤壁前方80～20m處布置兩組測點，并在頂板上布置兩組頂板離層儀，每班對測點處巷道收斂量和頂板離層儀讀數進行記錄。利用“十字交叉”法測得工作面推至測點期間頂底板累積下沉量和兩幫累積移近量分別為128mm和324mm，且未出現明顯的頂板冒漏現象；兩組離層儀顯示巷道上方巖層離層量為4～7mm，離層不明顯。

5 結語

離層破碎型頂板是一種特殊類型的頂板，具有強度低、層厚小、節理裂隙發育程度高等特點，容易在外界擾動作用下出現離層和破壞，實踐表明該類型頂板采用普通錨桿／錨索支護和金屬支架支護效果并不理想。通過對離層破碎型頂板失穩機理研究，確定了該類頂板冒頂可分為脫松型冒漏、擠壓型冒漏和推垮型冒漏；提出該類頂板的兩種力學承載結構分別為關鍵梁結構和強化承載拱結構，并對結構受力進行分析；在此基礎上提出采用高強預應力支護體系來控制離層破碎型頂板，取得了成功。鑒于離層破碎型頂板巖性結構復雜，應加強這類頂板的巖性和力學分析，根據現場實踐合理確定高預應力支護體系參數。

〔1〕袁 亮.淮南礦區現代采礦關鍵技術〔J〕.煤炭學報，2007，32（1）：8－12.

〔2〕武華太.高預應力強力錨桿支護技術在大斷面巷道中的應用〔J〕.煤礦開采，2010，15（4）：68－70.

〔3〕張 農，袁 亮.離層破碎型煤巷頂板的控制原理〔J〕.采礦與安全工程學報，2006，23（1）：34－38.

〔4〕王同旭，麻洪蕊，鄭文海.預應力錨桿支護防止巷道冒頂的機理與措施〔J〕.煤礦安全，2009，（ZK）：119－121.

〔5〕康紅普，姜鐵明，高富強.預應力錨桿支護參數的設計〔J〕.煤炭學報，2008，33（7）：721－726.