復合頂板大變形控制聯合支護技術研究及應用

王哲豪

(山西焦煤西山煤電集團股份有限公司西銘煤礦， 山西 太原 030000)

1 工程概況

西銘煤礦是山西焦煤集團一個特大型現代化煤礦，年產360萬t。現掘進48707工作面，地面標高1 256～1 485m，工作面標高1 014～1 052m。該掘進工作面所掘8#煤層節理發育，結構復雜，煤層中上部夾一層0.60～3.50m的泥巖或砂質泥巖，平均2.40m；下部夾石為0.30m的頁巖或炭質頁巖。8#煤上分層厚度0.55～0.70m，平均0.60m；下分層厚度2.84～3.40m，平均3.10m。48707工作面頂底板巖層狀況見表1。

2 復合頂板聯合支護

復合頂板的變形破壞過程中首先破壞的部位，稱為關鍵部位。關鍵部位的產生是圍巖塑性大變形的力學標志，產生的原因是圍巖大變形過程中，由于支護體與圍巖變形不協調而引起的關鍵部位的變形[1-3]。

圖1中1是關鍵部位未支護圍巖變形特征；2、3是關鍵部位圍巖支護不耦合的變形特征；4是圍巖支護耦合的穩定變形特征。

工程實踐表明，對于深部巷道工程，無論是新開、還是實施了多次支護的翻修工程，其破壞總是從某一個或幾個部位開始變形，進而導致整個支護系統的失穩[4]。通過相似模擬實驗發現復合頂板的破壞形式主要為層狀頂部巖體冒落及底角巖體破裂，對物理模型進行適當簡化處理，巷道斷面為正方形，復合頂板模型破壞形式如圖2所示[5-7]。

表1 48707工作面頂底板巖層狀況

圖1 頂板變形曲線

圖2 復合頂板模型破壞形式

室內相似模擬試驗結果顯示，復合頂板的破壞模式為頂板層狀塌落(B區域)，底板底鼓，巷道兩幫與底板相交位置發生片落和塑性變形區(A、C區域)。通常采用的錨噴網支護方式對巷道頂板淺層(2～3m)范圍內的巖層變形能都提供良好的支護效果，但對于復合頂板層狀巖層，頂板變形量大，影響范圍廣，為了提高巷道穩定性，結合錨索對頂板深部巖層進行錨固，根據模擬試驗結果，底角位置巖層發生片落和大變形，通常的錨桿支護不能有效防護底角位置巖體，因此采用底角錨桿聯合支護的方式對此巷道進行支護。

深部巷道圍巖由于塑性大變形而產生的變形不協調部位，通過支護的耦合而使其變形協調，從而限制圍巖產生有害的變形損傷，實現支護一體化、荷載均勻化，達到復合頂板巷道穩定的目的。

巷道寬5 700mm，錨桿直徑22mm，長度3 000mm，間距800mm，排距800mm，錨索直徑15.24mm，長度6 000mm，間距800mm，排距800mm。底角錨桿直徑48mm，長度3 700mm，間距1 600mm，排距1 600mm。利用FLAC3D建立相應數值模型，模型如圖3所示。

圖3 錨噴網+錨索+底角錨桿支護數值模型

圖4、圖5所示分別為錨噴網+錨索+底角錨桿支護巷道頂底板水平方向、豎直方向位移圖。通過數值模擬分析可以看出，支護后的復合頂板水平最大位移量3.815cm，豎直最大位移量3.815cm，位移量小，巷道形狀保持穩定，錨噴網+錨索+底角錨桿聯合支護方式對層狀巖體的支護效果明顯，改善了單一支護巷道變形量大，二次支護成本高、效率低的弊端，為礦山安全、順利進行生產提供了保障。

圖4 錨噴網+錨索+底角錨桿支護巷道頂底板水平方向位移圖

圖5 錨噴網+錨索+底角錨桿支護巷道頂底板豎直方向位移圖

3 結論

巷道頂板冒落是煤礦井下事故主要形式之一，頂板控制對于井下安全生產至關重要。通過相似模擬試驗分析得到復合頂板巷道變形破壞的關鍵部位為頂部位置和底角位置，以此提出了錨噴網+錨索+底角錨桿聯合支護方式，對變形大的頂板和底角位置加大支護強度，分別安裝錨索和大直徑錨桿。數值模擬結果顯示巷道頂板和兩幫變形量均控制在3.8cm，巷道穩定性提高，巷道形狀保持穩定，為礦山生產提供了安全保障。