空顶距离对空顶区顶板稳定性规律研究

杨绪东

（山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

煤炭开采过程中常遇到不同空顶距离影响巷道顶板稳定性从而造成安全事故的情况，为了更好地了解空顶距离对巷道顶板稳定性的影响，本文主要针对不同的空顶距离对顶板稳定性的影响进行数值模拟，得出不同空顶距离对顶板稳定性影响规律，从而给回采巷道安全施工提供理论依据，给后续的回采巷道顶板稳定性支护提供借鉴。

1 工程概况

泉沟煤矿开采的煤层为较为稳定的山西组下段煤层，煤厚3.45～3.75 m，平均为3.6 m，煤层倾角0～6°，平均为3°，煤层为近水平煤层，煤层内含厚度约为0.15 m的泥岩夹矸，煤层整体结构较为简单。该煤层基本顶为厚度3.34 m的粉细砂岩，直接顶为厚度8 m的砂砾岩，顶板类型属于稳定型顶板。该煤层在开采过程中采用后退式开采方法，采用全部垮落法处理顶板，根据现场实测，在工作面快速推进的过程中，空顶区顶板随着空顶距离的增大顶板垮落越来越剧烈，垮落变化量逐渐减小。

2 空顶距离对围岩应力影响特征

在回采巷道掘进过程中，出现了一种椭圆体应力区域，对围岩的应力分布造成了很大影响，并在水平方向上出现了应力下降区域、应力高压区域、应力回复区域，在垂直方向上出现了应力下降区域和应力回复区域。

空顶区的距离变化对不同部分的应力分布会产生影响，尤其对两帮产生较大的影响，但对顶板影响比较小。空顶距离为1m增加到空顶距离10m时进行比较，两帮的应力高压区域距迎头的距离由13m下降到5m，垂直应力由25.5MPa上升到27.6MPa，应力集中系数由1.25上升到1.36，由此反映出增大空顶距离，会使两帮的应力分布集中，环境条件更加恶劣[1]。

巷道两帮的承载力主要体现在帮部的应力高压区域，顶板的压力主要通过此区域传递到底板。当增加空顶距离时，会使应力高压区域不断向迎头靠近，并使深部两帮发生应力集中现象，表明：（1）浅部两帮围岩强度较低，应力集中位置需要向深部移动才能有效承载顶板的载荷；（2）由于浅部两帮的围岩强度低，使得其虽处于低应力区域，但仍然出现较大的变形，影响了锚杆等支护本应发挥的效果。

3 空顶距离对空顶区顶板稳定性影响规律

当巷道进行掘进时，巷道中两帮和迎头岩体同时对巷道稳定起支撑作用，同时它们共同组合形成了一种“U”型的支护布局，这种“U”型支护布局与迎头区域的岩体对顶板共同起稳定作用，所以空顶区的稳定性取决于迎头岩体的稳定性和两帮对顶板的支撑力。

图1为支护滞后迎头不同距离时顶板垂直位移模拟云图，可以看出，随着滞后距离的增加，滞后支护与“U”型支持架构组成的组合在空顶区顶板有三个不同的垂直位移演化阶段：

（1）叠加支持阶段，此时滞后迎头间隔在0到2 m，在这个阶段中，顶板稳定主要取决于迎头“U”型支护，滞后支护在此阶段内发挥的作用较小，同时因为轴向支护强度的不断减弱，导致顶板轴向垂直位移分布曲线有上升的趋向。

（2）协同支持阶段，此时滞后迎头间隔在3到7 m，虽然此时顶板的稳定依然受迎头“U”型支护的影响，但却受顶板支护和“U”型支护的协同支持，其效果相互叠加。在轴向垂直位移分布曲线上的特性，重点体现为出现了在空顶区的极大值和滞后支护上的最大值，并且由此看出顶板下沉量较为显著。

（3）自力支持阶段，此时滞后迎头间隔在0到8 m，而且不处于顶板“U”型支持架构的影响范围内，空顶区稳定状况受“U”型支持架构和锚杆支护的叠加影响，但产生的效果较差。此时在轴向垂直位移分布曲线的特性上空顶区和滞后支护阶段出现了两种不同的趋向：空顶区阶段的曲线有先上升后下降的趋势，而在滞后支护阶段的曲线只出现上升趋势，因此曲线会出现一个相同位置的极大值和最大值，证明了空顶区下沉的变形量大于后方。

图1 支护滞后迎头不同距离时顶板垂直位移云图

由于锚杆支护处的刚度与周围无锚杆支护处存在差异，且它的支护与迎头支撑相比其强度较弱，因此容易使顶板发生畸形变形，从而使顶板发生阶梯式下沉。当滞后支护距离很小时，会出现锚杆支护与迎头煤体支护的范围共同作用于一个区域，使得顶板弯曲的程度在轴向上不断呈上升趋向。当滞后支护距离较大时，锚杆支护与迎头煤体支护的影响范围错开，从而出现因两者支护力度的不同而出现的不稳定性，导致顶板出现稍偏向滞后支护区域的变形。

图2 支护滞后迎头不同距离时巷道顶板轴向挠度变化

表1 空顶区顶板最大下沉量及其差值与支护滞后迎头距离关系

如图2，当逐渐增加支护滞后迎头的距离时，空顶区最大下沉量呈单调递增的趋势，且增长的幅度逐渐下降，由此可以得出当增加支护滞后迎头距离时，会使顶板弯曲程度明显增大，增加相同距离时不同跨度的岩梁弯曲程度也存在差别；当逐渐增加支护滞后迎头的距离时，顶板的最大下沉量变化值虽然逐渐降低，但变化不明显，此时拉应力超过强度极限易发生断裂，对安全生产造成隐患。

图3 不同空顶距离时两帮移近量及迎头移近量的演化

由图3可以看出不同的支护滞后迎头距离导致不同位置围岩的变形位移量也出现不同。

迎头岩体主要对其附近岩体起支撑作用，基本不作用于巷道中心区域，并且由于巷道在煤层中掘进，变形最大的地方在巷道中心，不受支护滞后迎头距离的影响，因此变化曲线的位移量基本保持不变，约为120 mm。

帮部位移和顶板位移的位移量受支护滞后迎头距离的影响较大，随着支护滞后迎头距离的不断增大，两条曲线呈增幅不断减小的单调递增趋势，且帮部位移的变形位移量大于顶板位移量，可以看出支护滞后迎头距离对两帮的影响较大，对顶板稳定影响较小[2]。

4 结论

（1）空顶区顶板最大下沉量随着支护滞后迎头距离的增大而显著增大，最大下沉量变化值在支护滞后距离较小时较大，随着支护滞后距离的增加变化幅度越来越小，说明了顶板逐渐达到新的应力平衡。

（2）掌握了空顶区顶板随着支护滞后迎头距离变化的下沉规律给煤矿回采巷道安全施工提供了重要的理论依据，给后续的回采巷道稳定性支护提供了力学基础。