蝶形塑性冒落區頂板支護技術研究

呂聲勇

(山西焦煤集團公司 調度信息中心， 山西 太原 030024)

頂板事故是煤礦災害之首，其死亡人數占煤礦死亡總人數的38%以上[1-2]. 頂板事故的表現形式主要是巷道冒頂，由于巷道本身具有較高的隱蔽性、突發性和高度危險性，所以在對巷道支護設計時無法對冒頂隱患準確識別，無法提前采取補強措施。巷道冒頂從本質上講，是巷道在開挖后圍巖會產生一定范圍的塑性破壞，同時伴有巨大膨脹壓力和強烈變形，如果此時支護不能承受破碎區域的圍巖重量，巷道便發生冒頂。

趙志強、馬念杰、賈后省等[3-5]在地應力實測研究中發現，巷道多處于非均勻應力環境，提出了"蝶形塑性區"概念，該理論認為在非均勻應力環境下巷道局部極易表現出應力集中現象，是造成巷道失穩、冒頂的直接原因。趙志強、馬念杰等[6]對蝶形塑性區的進一步研究中指出，塑性區蝶葉范圍在巖層中擴展具有穿透性與旋轉特性，應力方向改變使蝶葉發生轉向至巷道頂板，導致巷道發生冒頂。

西山煤電集團杜兒坪礦72909切眼在掘進至205～214 m處時，巷道礦壓顯現極為劇烈，巷道兩幫及頂板變形量大，支護體破壞嚴重，造成現場局部冒頂。而現有工程技術條件下提供的支護阻力很難控制圍巖塑性區形態和巷道變形。

1 蝶形塑性區穿透性研究

杜兒坪礦72909工作面煤層厚度不穩定，全厚1.90～3.50 m，平均2.93 m，煤層結構復雜，含一層不穩定夾矸，厚度為0～0.45 m，平均0.05 m，煤層傾角3°～16°，平均6°. 煤層及頂底板情況見表1.

表1 72909工作面頂底板情況表

根據72909工作面地質條件，采用FLAC3D建模對其圍巖失穩進行分析。72909切眼采用矩形巷道布置，設計巷道寬度6.3 m，高度3.0 m. 通過前期學者研究發現，巷道斷面形狀對蝶形塑性區的影響是有限的[7-9]，所以在該次模擬分析中根據現場實際情況直接采用矩形斷面作為研究對象。其模擬結果見圖1.

圖1 蝶形穿透巷道頂板失穩示意圖

如圖1所示，模擬過程中發現，上部軟弱層距頂板高度將直接影響蝶形塑性區范圍，加之矩形巷道多采用梁式結構，本身承載能力相對于圓形巷道較差，蝶形塑性區穿透堅硬頂板后在上部及其周邊軟弱層中重新分布致使堅硬頂板發生斷裂失穩，巷道冒頂后，蝶形應力區在其上方重新分布。

2 巷道頂板控制方法

針對72909切眼冒頂情況，將冒頂區域頂板上方劃分為4層，分別為淺部層、中部層、深部層及穩定層，見圖2. 在支護過程中，單純依靠輔助支護材料進行補強無法保證圍巖自身穩定性加強，屬于被動支護加強；單純依靠錨桿索支護又無法保證冒頂區域內松散層擴大，造成頂部塑性破壞區繼續擴大。因此，為減少冒頂區域擴大及輔助支護材料支護過剩的情況發生，采用棚錨+加長錨索聯合支護。

圖2 72909切眼冒頂層次控制示意圖

為保證切眼整體的支護強度，采用支護補強的方法，切眼支護設計圖見圖3，4，5.

圖3 棚錨支護示意圖

圖4 鋼梁加固示意圖

圖5 切眼內單體打設示意圖

1) 從72909回風巷切眼開口處至冒頂邊緣，補打8.3 m錨索，“3-0-3”矩形布置，距兩幫距離各1.6 m，中間排錨索居中打設，間排距為1.8 m，并上2.2 m的槽鋼梁進行加固，如補打錨索位置因頂板破碎原因不合適打注時，可作相應調整。

2) 從72909回風巷切眼開口處至110 m架棚處，配合400 mm小π梁補打3.5 m單體，間距由原來的2 m縮小為1 m.

3) 對冒頂區域邊緣地段，密集增打單根3.5 m單體，并配合400 mm小π梁進行支護。

3 巷道頂板礦壓觀測

1) 監測儀器。

錨桿/索拉力的監測能夠有效地反應出巷道頂板上方圍巖體的穩定程度，而且具有安裝簡便，可實現在線監測的特性，方便數據收集統計。頂板離層儀能夠觀測出頂板上方層間距的變化，觀察上方軟弱層在蝶形塑性應力區重新分布的過程[10-11]，其安裝見圖6，安裝時選擇冒頂區域內重新補強錨桿索，每4 m一組進行安裝。

圖6 72909頂板監測儀器圖

2) 結果分析。

72909切眼冒頂處錨索受力曲線見圖7. 由圖7a)可知，錨索在前30天內隨著工作面的推進表現出錨固力逐漸下降；在30～70天錨固力突然升高，說明在這段時間內蝶形塑性應力區重新分布，頂板發生下沉，錨索充分發揮了錨固作用，圍巖體變形得到有效控制；在70～80天，錨索錨固力下降，說明蝶形塑性應力重新分布完成，圍巖自身處于穩定狀態。從圖7b)可以看出，錨索在前45天內錨索受力先緩慢下降后開始大幅度上升，說明錨索安裝初期對周邊圍巖體控制是有效的；在45天左右，錨索受力突然增大，出現臺階，說明頂板上方出現來壓現象；在70～80天，錨索受力基本趨于穩定，圍巖體變形量穩定。

圖7 72909切眼冒頂處錨索受力曲線圖

4 結 論

杜兒坪礦72909切眼205～214 m冒頂段，是由于巷道圍巖體變形量過大致使錨桿索失效，巷道頂板軟弱層得不到有效控制，蝶形塑性區穿透范圍變大，造成現場冒頂。該地段受特殊地質構造影響，堅硬頂板上方存在軟弱層，應力表現較為集中，蝶形應力分布在穿透堅硬頂板后重新分布在其上方軟弱層中，通過錨桿索補強及輔助支護措施有效地提高了切眼整體的支護強度，該支護設計方案對類似巷道有一定的指導參考意義。