回采巷道离层破碎型顶板失稳机理与控制实践

王红兵

（山西晋煤集团 泽州天安靖丰煤业有限公司，山西 晋城048012）

井下煤岩体由不同时代形成的层状岩石组成，煤层与上方坚固岩层之间往往夹有一层至数层不稳定岩层。不稳定岩层上方岩层具有厚度大、强度高等特点，不易受到巷道开挖影响，具有较好的自稳能力；不稳定岩层具有强度低、层厚小、节理裂隙发育程度高等特点，易在外界扰动的影响作用下出现离层或变形破坏，这层岩石又被称为离层破碎顶板岩层〔1－2〕。对于离层破碎型顶板最常用的支护方式为锚杆／锚索支护和金属支架支护，锚杆／锚索支护控制破碎顶板主要发挥的是其悬吊作用，可将破碎顶板锚固在上方坚固岩层中，但鉴于国内诸多煤矿顶板和煤体结构的复杂性，普通锚杆／锚索控制离层破碎型顶板效果并不理想；金属支架主要包括U型钢支架和工字钢梯形棚支架，这类支架支护效果不佳，劳动强度高，综合经济性较差。有关资料显示，离层破碎型顶板在采掘过程中最易引发顶板冒漏，而国内顶板冒漏事故往往占据矿井事故死亡人数的50%以上，故如何控制离层破碎型顶板显得尤为重要。现以山西靖丰矿为例，进行离层破碎型顶板控制机理和控制实践研究。

1 离层破碎型顶板失稳机理

通过对采掘工作面的现场观察，结合国内对离层破碎型顶板支护研究，认为离层破碎型顶板失稳主要形式为顶板冒漏，引起该类顶板出现顶板冒漏的原因是围岩自稳性能力差，即使采取了相应的支护措施，也难以保证顶板的稳定。根据离层破碎型顶板冒漏的形式，将其分为松脱型冒漏、挤压型冒漏和推垮型冒漏三种〔3－4〕。松脱型冒漏主要发生在巷道掘进过程中，巷道开挖后岩体应力重新分布，离层破碎型顶板会出现潜在冒漏趋势，若支护不及时，辅以巷道开挖扰动作用变会造成巷道出现松脱型冒漏，松脱型冒漏的主要特征是巷道顶板冒漏区存在明显的不规则断茬状；挤压型冒漏主要是受到巷道变形影响作用造成巷道两帮煤岩体向顶板挤压，促使顶板弯曲下沉，在此过程中破碎顶板出现挤压型冒顶，挤压型的最明显特征是伴随着巷道的收敛变形；离层破碎型顶板失去了上方坚固岩层的依存和控制，在自重作用下依存在支护结构上，当支护结构受到水平外力的作用时会造成上方破碎顶板横向移动，最终导致推垮型顶板冒漏的出现，推垮型冒漏多出现在采场空间内。另外，松脱型冒落若控制不及时，冒落区上部岩层会出现大量的裂隙，锚固强度和围岩稳定性急剧降低，可能导致锚固区内出现顶板离层，甚至出现锚固区内顶板整体冒落。

2 离层破碎型顶板承载结构和稳定性力学分析

学者赵志堂在研究离层破碎型顶板支护时提出该类顶板承载结构关键梁结构和强化承载拱结构〔5〕。关键梁结构适用于关键层距离巷道顶板较近的薄层状离层破碎顶板，该力学结构分析见式（1）所示。

式中：P0为支护体系承载强度，kPa；W0为关键层下方岩体自重，kPa；k0为顶板岩体抗拉系数，取2.5～4.0；P1为支护体系初始支护强度，kPa；W为松动岩体自重，kPa；k1为顶板岩体防松动系数，离层破碎型岩层一般取1.5～2.0。

由分析可知，满足顶板稳定的关键在于：① 支护体系的承载力超过关键层下方岩体自重；② 支护体系的初始力超过松动岩体的自重。

强化承载拱结构适用于关键层距离巷道顶板较远的厚层状离层破碎顶板，该力学结构分析见式（2）所示。

式中：P2为支护体系提供的岩体滑移剪切面上的抗剪力；k2为抗剪系数，一般取3.0～4.0；J0为支护范围内岩体下滑极限剪力。

由分析可知，满足顶板稳定的关键在于：① 支护范围内不存在弱面离层；② 支护体系提供的岩体滑移剪切面上的抗剪力不低于支护体系范围内破碎岩体下滑产生的极限剪切力。

3 支护体系结构的提出

当前支护理论认为，提高支护体系的强度有助于提高巷道围岩的稳定性，故高强支护锚杆得到了越来越广泛的应用。但是对于煤层赋存条件和围岩结构复杂的回采巷道，尤其是对于离层破碎型顶板巷道而言，这种支护方式不能够完全促使离层破碎顶板与上方坚固围岩体形成统一结构，难以发挥高强锚杆所具备的悬吊作用和组合拱作用，在采掘工程扰动或者矿山压力作用下极易出现支护体系的失效。康红普教授通过理论分析、数值模拟和现场试验提出了高预应力强力支护理论〔6〕，该理论认为：①巷道围岩变形主要包括围岩出现离层、开裂和滑动等不连续变形和围岩的弹塑性连续性变形；② 高预应力支护体系可以有效阻止支护区围岩的离层和改善围岩深部应力状态；③预应力支护体系所提供的预应力可以扩散到深部围岩体内，即使支护力较小也可以对巷道围岩变形起到较好的控制效果。基于此，可采用高强度预应力锚杆／锚索配合相应的W钢带、金属网等来预防离层破碎型顶板冒漏。

高强度预应力锚杆采用无纵筋螺纹钢加工制成，其强度和延伸率与高强度锚杆相符，其与普通锚杆相比主要具备的优点为：① 能够给予围岩体提供较大的预紧力，在及时支护状态下即可满足巷道松动岩体所需稳定载荷；② 通过扭矩螺母和双重减摩垫圈的使用最大限度的提高锚杆预紧力，同时减摩垫圈的变形可直接显示预紧力锚杆安装效果。高预应力锚索可配合W钢带形成锚索桁架，锚索桁架将巷道顶角处深部岩体作为支护结构的锚固点，这样可将锚索张拉力直接作用于顶板锚固区，可有效预防离层破碎型顶板冒漏发生。

4 工程应用实践

4.1 工作面概况

3307工作面位于靖丰矿3采区东北部，其南部为3305工作面采空区，北部为3309工作面回风巷，东部为实体煤。该工作面所采煤层为山西组3＃煤层，煤层厚度为4.2～5.6m，平均5.2m；煤层倾角为6°～12°，平均8.5°，煤体松软易碎，节理裂隙发育程度较高，属于稳定可采厚煤层。工作面设计走向和倾向长度分别为1725m和130m，巷道规格（高×宽）为3900mm×5200mm，底板标高为－420 m～－470m，采用U型通风方式和机械化一次采全高开采技术。工作面顶底板岩性较复杂，上部和底部各含一层0.5～0.75m的泥岩，直接顶为厚5.6～7.2m的泥岩－砂质泥岩－煤线互层，基本顶为厚6.2～11.5m的粗粒砂岩－粉砂岩。

4.2 巷道支护实践

根据离层破碎型顶板失稳机理和离层破碎型顶板承载结构和稳定性力学分析，确定采用高预应力锚杆／锚索配合W钢带对巷道进行联合支护。3307工作面回采巷道支护见图1。

图1 3307工作面回采巷道支护示意

具体支护参数确定如下：

（1）顶板支护：采用屈服极限为500MPa的Φ22×2400mm型高预紧力锚杆，锚固深度为1200mm，锚杆间排距为800mm×800mm；采用预紧力不低于150kN的Φ17.8×8500mm锚索，锚固深度为1650mm，锚杆采用三花状布置，间排距为1600mm×800mm；配合锚杆和锚索使用的W钢带长为3000mm，宽为80mm。

（2）两帮支护：采用预紧力不低于300N·m的Φ22×2000mm型高预紧力锚杆，锚固深度为800mm，锚杆间排距为800mm×800mm；配合锚杆使用的 W钢带长为3000mm，宽为80mm。

为了掌握预紧力锚杆／锚索配合 W钢带支护条件下3307工作面回采巷道稳定性，在距离工作面煤壁前方80～20m处布置两组测点，并在顶板上布置两组顶板离层仪，每班对测点处巷道收敛量和顶板离层仪读数进行记录。利用“十字交叉”法测得工作面推至测点期间顶底板累积下沉量和两帮累积移近量分别为128mm和324mm，且未出现明显的顶板冒漏现象；两组离层仪显示巷道上方岩层离层量为4～7mm，离层不明显。

5 结语

离层破碎型顶板是一种特殊类型的顶板，具有强度低、层厚小、节理裂隙发育程度高等特点，容易在外界扰动作用下出现离层和破坏，实践表明该类型顶板采用普通锚杆／锚索支护和金属支架支护效果并不理想。通过对离层破碎型顶板失稳机理研究，确定了该类顶板冒顶可分为脱松型冒漏、挤压型冒漏和推垮型冒漏；提出该类顶板的两种力学承载结构分别为关键梁结构和强化承载拱结构，并对结构受力进行分析；在此基础上提出采用高强预应力支护体系来控制离层破碎型顶板，取得了成功。鉴于离层破碎型顶板岩性结构复杂，应加强这类顶板的岩性和力学分析，根据现场实践合理确定高预应力支护体系参数。

〔1〕袁 亮.淮南矿区现代采矿关键技术〔J〕.煤炭学报，2007，32（1）：8－12.

〔2〕武华太.高预应力强力锚杆支护技术在大断面巷道中的应用〔J〕.煤矿开采，2010，15（4）：68－70.

〔3〕张 农，袁 亮.离层破碎型煤巷顶板的控制原理〔J〕.采矿与安全工程学报，2006，23（1）：34－38.

〔4〕王同旭，麻洪蕊，郑文海.预应力锚杆支护防止巷道冒顶的机理与措施〔J〕.煤矿安全，2009，（ZK）：119－121.

〔5〕康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计〔J〕.煤炭学报，2008，33（7）：721－726.