空頂距離對空頂區頂板穩定性規律研究

楊緒東

（山東科技大學礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

煤炭開采過程中常遇到不同空頂距離影響巷道頂板穩定性從而造成安全事故的情況，為了更好地了解空頂距離對巷道頂板穩定性的影響，本文主要針對不同的空頂距離對頂板穩定性的影響進行數值模擬，得出不同空頂距離對頂板穩定性影響規律，從而給回采巷道安全施工提供理論依據，給后續的回采巷道頂板穩定性支護提供借鑒。

1 工程概況

泉溝煤礦開采的煤層為較為穩定的山西組下段煤層，煤厚3.45～3.75 m，平均為3.6 m，煤層傾角0～6°，平均為3°，煤層為近水平煤層，煤層內含厚度約為0.15 m的泥巖夾矸，煤層整體結構較為簡單。該煤層基本頂為厚度3.34 m的粉細砂巖，直接頂為厚度8 m的砂礫巖，頂板類型屬于穩定型頂板。該煤層在開采過程中采用后退式開采方法，采用全部垮落法處理頂板，根據現場實測，在工作面快速推進的過程中，空頂區頂板隨著空頂距離的增大頂板垮落越來越劇烈，垮落變化量逐漸減小。

2 空頂距離對圍巖應力影響特征

在回采巷道掘進過程中，出現了一種橢圓體應力區域，對圍巖的應力分布造成了很大影響，并在水平方向上出現了應力下降區域、應力高壓區域、應力回復區域，在垂直方向上出現了應力下降區域和應力回復區域。

空頂區的距離變化對不同部分的應力分布會產生影響，尤其對兩幫產生較大的影響，但對頂板影響比較小。空頂距離為1m增加到空頂距離10m時進行比較，兩幫的應力高壓區域距迎頭的距離由13m下降到5m，垂直應力由25.5MPa上升到27.6MPa，應力集中系數由1.25上升到1.36，由此反映出增大空頂距離，會使兩幫的應力分布集中，環境條件更加惡劣[1]。

巷道兩幫的承載力主要體現在幫部的應力高壓區域，頂板的壓力主要通過此區域傳遞到底板。當增加空頂距離時，會使應力高壓區域不斷向迎頭靠近，并使深部兩幫發生應力集中現象，表明：（1）淺部兩幫圍巖強度較低，應力集中位置需要向深部移動才能有效承載頂板的載荷；（2）由于淺部兩幫的圍巖強度低，使得其雖處于低應力區域，但仍然出現較大的變形，影響了錨桿等支護本應發揮的效果。

3 空頂距離對空頂區頂板穩定性影響規律

當巷道進行掘進時，巷道中兩幫和迎頭巖體同時對巷道穩定起支撐作用，同時它們共同組合形成了一種“U”型的支護布局，這種“U”型支護布局與迎頭區域的巖體對頂板共同起穩定作用，所以空頂區的穩定性取決于迎頭巖體的穩定性和兩幫對頂板的支撐力。

圖1為支護滯后迎頭不同距離時頂板垂直位移模擬云圖，可以看出，隨著滯后距離的增加，滯后支護與“U”型支持架構組成的組合在空頂區頂板有三個不同的垂直位移演化階段：

（1）疊加支持階段，此時滯后迎頭間隔在0到2 m，在這個階段中，頂板穩定主要取決于迎頭“U”型支護，滯后支護在此階段內發揮的作用較小，同時因為軸向支護強度的不斷減弱，導致頂板軸向垂直位移分布曲線有上升的趨向。

（2）協同支持階段，此時滯后迎頭間隔在3到7 m，雖然此時頂板的穩定依然受迎頭“U”型支護的影響，但卻受頂板支護和“U”型支護的協同支持，其效果相互疊加。在軸向垂直位移分布曲線上的特性，重點體現為出現了在空頂區的極大值和滯后支護上的最大值，并且由此看出頂板下沉量較為顯著。

（3）自力支持階段，此時滯后迎頭間隔在0到8 m，而且不處于頂板“U”型支持架構的影響范圍內，空頂區穩定狀況受“U”型支持架構和錨桿支護的疊加影響，但產生的效果較差。此時在軸向垂直位移分布曲線的特性上空頂區和滯后支護階段出現了兩種不同的趨向：空頂區階段的曲線有先上升后下降的趨勢，而在滯后支護階段的曲線只出現上升趨勢，因此曲線會出現一個相同位置的極大值和最大值，證明了空頂區下沉的變形量大于后方。

圖1 支護滯后迎頭不同距離時頂板垂直位移云圖

由于錨桿支護處的剛度與周圍無錨桿支護處存在差異，且它的支護與迎頭支撐相比其強度較弱，因此容易使頂板發生畸形變形，從而使頂板發生階梯式下沉。當滯后支護距離很小時，會出現錨桿支護與迎頭煤體支護的范圍共同作用于一個區域，使得頂板彎曲的程度在軸向上不斷呈上升趨向。當滯后支護距離較大時，錨桿支護與迎頭煤體支護的影響范圍錯開，從而出現因兩者支護力度的不同而出現的不穩定性，導致頂板出現稍偏向滯后支護區域的變形。

圖2 支護滯后迎頭不同距離時巷道頂板軸向撓度變化

表1 空頂區頂板最大下沉量及其差值與支護滯后迎頭距離關系

如圖2，當逐漸增加支護滯后迎頭的距離時，空頂區最大下沉量呈單調遞增的趨勢，且增長的幅度逐漸下降，由此可以得出當增加支護滯后迎頭距離時，會使頂板彎曲程度明顯增大，增加相同距離時不同跨度的巖梁彎曲程度也存在差別；當逐漸增加支護滯后迎頭的距離時，頂板的最大下沉量變化值雖然逐漸降低，但變化不明顯，此時拉應力超過強度極限易發生斷裂，對安全生產造成隱患。

圖3 不同空頂距離時兩幫移近量及迎頭移近量的演化

由圖3可以看出不同的支護滯后迎頭距離導致不同位置圍巖的變形位移量也出現不同。

迎頭巖體主要對其附近巖體起支撐作用，基本不作用于巷道中心區域，并且由于巷道在煤層中掘進，變形最大的地方在巷道中心，不受支護滯后迎頭距離的影響，因此變化曲線的位移量基本保持不變，約為120 mm。

幫部位移和頂板位移的位移量受支護滯后迎頭距離的影響較大，隨著支護滯后迎頭距離的不斷增大，兩條曲線呈增幅不斷減小的單調遞增趨勢，且幫部位移的變形位移量大于頂板位移量，可以看出支護滯后迎頭距離對兩幫的影響較大，對頂板穩定影響較小[2]。

4 結論

（1）空頂區頂板最大下沉量隨著支護滯后迎頭距離的增大而顯著增大，最大下沉量變化值在支護滯后距離較小時較大，隨著支護滯后距離的增加變化幅度越來越小，說明了頂板逐漸達到新的應力平衡。

（2）掌握了空頂區頂板隨著支護滯后迎頭距離變化的下沉規律給煤礦回采巷道安全施工提供了重要的理論依據，給后續的回采巷道穩定性支護提供了力學基礎。