层状顶板巷道冒顶机理与控制方法

宝金海

（潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治 047105）

冒顶事故是煤矿常见的事故之一。随着煤矿开采深度逐渐增大，伴随而来的复杂工况增加了冒顶风险。巷道冒顶是因围岩破坏造成的，究其根本是由塑性破坏区域引发。控制和维持塑性区域的范围可以相对地稳定围岩结构，防止冒顶事故。本文以司马煤矿巷道为研究对象，在塑性围岩区域理论的基础上研究了层状顶板回采巷道的冒顶机理，根据冒顶机理设计了相应的控制方法和支护形式。

1 层状顶板巷道冒顶机理

特厚煤层由于其顶板复杂特殊、自身普氏岩石坚固性低以及原岩作用和采动作用，造成了特厚煤层中塑性区域较多，此区域可以穿过坚硬岩层而不受影响，使得层状顶板出现冒顶事故的几率增大。

应力不均的情况下，巷道受到较大的拉应力和剪应力，生成塑性破坏的区域会相应增大，膨胀作用和变形都会增大，冒顶原理如图1所示。

图1 巷道顶板冒顶原理

由图1可以看出，软弱岩层中塑性区域穿过坚固的岩层后分布到软弱岩层中，从而使得软弱岩层膨胀压力急剧升高，强烈变形增大，强大的作用力大大超过了锚杆支护压力，使得下部坚硬层承受长时间的挤压作用，当挤压应力超过坚硬层强度极限后就会破坏坚硬岩石，出现垮落现象，垮落岩石重力超过锚杆支护力时变形成了坍塌。厚岩层的冒顶高度位于坚硬层下边界，塑性区域上边界为其冒顶高度。软弱岩层下的坚硬层不足以抵抗顶板中塑性区域的发展，巷道软弱岩层的压力和变形破坏了岩层支护，由此得出巷道冒顶与软弱岩层下方岩层关系不大，软弱岩层上方岩层出现塑性变形后会增加巷道冒顶事故的几率。

司马煤矿开采过程中受到强烈的矿压作用，顶板及两帮变形量大，锚护有过破坏现象，周围岩石的剧烈破损及支护破坏使得深处岩层控制更加困难。由以上分析，巷道顶板岩层破坏坍塌的发生是软弱岩层引起，破坏后的软弱岩层膨胀和变形效应增强，引起坚硬层的破坏，巨大的变形压力加剧了塑性区域的膨胀和变形，顶板由此出现冒落，最易引发冒顶事故的区域位于软弱岩层的塑性区域上边界位置，层状顶板冒顶原理如图2所示。

图2 层状巷道冒顶原理

2 巷道冒顶的影响因素分析

引起上方巷道岩层破损或坍塌事故的因素众多，包括强烈的围岩压力、岩层的结构强度、巷道形状大小及巷道的支撑情况。围岩压力、围岩结构和支撑是决定围岩稳定的主要因素，本文将围绕这些因素进行分析，研究其对上方岩层垮落的影响情况。

2.1 塑性区域范围

围岩变形的本质是围岩塑性区域的产生和扩散，塑性影响区域范围越大，则围岩变形情况越剧烈，发生破坏坍塌的概率也越大，巷道深度和形状影响着塑性区域的范围，围岩强度大也会加剧塑性区域的影响。

2.2 顶板岩层结构

冒顶事故发生的原因是塑性区域的扩展，巷道围岩应力较小时可将坚硬层当作锚杆的基点，高围岩应力的巷道则会使上方塑性区域增大。坚硬层位于软弱层上方时，塑性区域穿越坚硬层后继续分布于软弱岩层，强烈的膨胀压力和变形作用导致坚硬层出现破损或垮落，增大了顶板冒落的危险。潜在冒顶高度是由塑性区域的软弱岩层位置决定的，支护时要将锚杆固定在冒顶高度临界之外，采用多层支护围岩。上方岩层垮落是由于顶部存在塑性区域，岩层、巷道尺寸和支护相同情况下，塑性区域越大，上方岩层坍塌情况相对弱岩石变形更高，塑性区域中弱岩石位置决定了顶峰的风险高度。

3 巷道冒顶控制方法

由于巷道岩层坍塌是岩层塑性变形导致的，破坏程度由塑性区域面积决定。对围岩塑性区域施加控制手段可以改变围岩稳定性，当围岩支撑情况难以改变围岩塑性区域，原岩应力和其他应力影响着塑性区域的范围，通过控制裂缝降低围岩的剧烈扩张。

控制巷道冒顶的主要方法是悬吊塑性区域破损的岩石，避免围岩降落。可通过以下方法实现：（1）增加锚杆长度，使其超过塑性区域上方边界，从而塑性区域破坏后的岩石不会出现坍塌情况，限制了弹性区域内岩层变形，使得弹性区和塑性区临界面的主应力控制在一定范围，限制了裂隙的形成发展；（2）增大锚杆的变形水平，使其更好延展，持续的支护变形的围岩；（3）顶板浅层锚杆布局应增加密集程度，以防围岩破碎后的坠落和漏顶现象。

司马矿1208工作面巷道顶板锚杆长度计算：

锚杆长度：L=L1+b+L3=1.793m

式中：

L1-锚杆外露长度，100 mm；

L3-端锚固长度，930 mm；

b-潜在冒落拱高度，763 mm。

L取2 m长符合要求，因此锚杆长度应高于隐患的软弱岩层上方边界处2 m，距离顶板较近软弱岩层的锚杆可适当缩短，距离较远的软弱岩层可适当增加锚杆长度。端部锚固的锚杆自由端长度应高于软弱岩层上边界。对于顶板破碎大的浅部岩层应增大锚杆密度，塑性区域顶部岩层采用小型锚杆，保证锚杆密度，巷道顶板冒顶控制原理如图3所示。

图3 顶板冒顶控制原理

在1303巷道顶板支护中运用该顶板控制方法，现场观测结果表明，该设计能有效控制巷道顶板变形，并得出以下结论：一次采动后最终巷道顶板下沉量130.8mm，二次回采期间顶板下沉量为62.6mm，变形在生产要求允许范围之内，满足了现场要求。

4 结论

针对巷道冒顶事故频发的问题，研究分析了巷道冒顶发生的机理，得出冒顶是由塑性区域穿过坚硬岩层后在软弱岩层分布造成坚硬层受到巨大压力和变形引起，塑性区域存在是损坏巷道的根本因素，冒顶高度是由塑性区域的弱岩石位置决定。针对现有支护存在问题，提出了相应的控制冒顶的支护方法，并通过改变材料性质改善变形适应性，改变支护布局限制塑性区域扩展，防止冒顶事故发生。