礦井復合頂板應力分析及支護對策

郭永偉

（山西焦煤集團公司調度信息中心，山西 太原 030022）

1 概述

隨著煤礦開采自動化、智能化的不斷普及，開采深度也在不斷增加。煤巖體的應力環境、變形方式也存在很大差異，礦井下復合頂板的支護成為當前煤礦開采的重要課題。深部巖體主要具有煤巖體軟化嚴重，圍巖應力呈現非線性集中，頂底板無法形成有效承載體，最終出現多層次離層、局部冒落發育成煤層裂隙場，導致頂底板嚴重變形破壞。我國部分礦井曾采用應力解除、水壓致裂等方法進行過地應力分析，但由于缺乏快速、方便的測試儀器和配套機具，煤巖體地質力學測試過程繁瑣耗時，導致許多礦區沒有進行過全面、系統的煤巖體地質力學測試工作，巷道布置與支護設計隨意性大、可靠性差，導致部分巷道永久支護失效，對礦井安全生產造成很大制約。

2 現場概況

杜兒坪礦南九盤區3#煤層平均厚度2.6 m，傾角為2°～6°，平均為4°。73902工作面東部為新華村回風井，西部為南七盤區，北部為南大巷，南部為礦井保護煤柱。該工作面底板標高為+1010～+1079 m，埋深為487～649 m。73902工作面位置見圖1。

圖1 工作面巷道布置

工作面第一切眼與第一停采線之間區段傾斜長度175 m，走向長度400 m；第一停采線與第二切眼之間區段傾斜長度89.5 m，走向長度448 m；第二切眼與第二停采線之間區段傾斜長度175 m，走向長度1280.6 m。工作面頂底板巖性見表1。

表1 73902工作面煤巖結構及巖性特征

73092工作面煤層的上覆巖層，從直接頂到老頂為軟弱-堅硬型，再往上為軟弱-堅硬型的相間復合結構。這種硬度交替變化的復合頂板結構極易在裂隙水和圍巖應力的綜合作用下發生軟化，導致圍巖的蘇醒降低并整體失穩。從現場來看，工作面掘進期間巷道頂板普遍存在節理裂隙、軟弱夾層，直接頂巖層多薄層分布，存在網包現象，在橫川和切眼等巷道交叉、應力集中區域部分錨桿失效破斷。因此非常有必要開展類似地質條件下應力場數值模擬、錨索受力狀態分析等相關研究，并提出合理的巷道支護對策，保證工作面回采安全。

3 巷道受力狀態分析

順槽巷道變形以兩幫移近變形為主，巷道兩幫整體移近對頂板圍巖產生“剪切”作用。巷道煤體強度低，兩幫錨索錨固力較低，且初始張拉損失較大造成巷幫錨索初始預緊力施加較小，一般在120 kN左右，巷幫煤體整體支護強度偏低；巷道兩幫整體移近的同時，給巷道頂板巖層產生“剪切力”，造成頂板巖層之間相互錯動，頂板巖層相互錯動出現壓力釋放區，使頂幫圍巖整體完整性遭到破壞，支護強度不足以維持巷道頂板的完整性，最終出現巷道頂板逐步破壞。

頂板復合巖層分層明顯，且相互錯動，這是造成錨索破斷的主要原因。頂板巖層受巷道兩幫整體移近影響相互錯動形成水平剪應力，水平剪應力在巷道頂板形成集中，對頂板維護產生不利影響。在水平剪應力的作用下，弱膠結的層狀巖體在較大水平應力作用下會發生層間錯動，形成橫向裂隙和離層，劇烈的采動影響，使巖體破碎程度更加嚴重，水平剪應力將導致巖層和錨索破壞，見圖2。

圖2 復合層狀巖體相互錯動錨索破壞

錨索破斷造成頂板在弱支護情況下圍巖短時間出現大變形，導致頂板變形下沉量增大。頂板錨索破斷主要是以剪切破斷為主，當前礦壓監測方案不能及時監測錨索破斷，無法對破斷處錨索及時進行補打，巷道支護強度低，造成巷道頂板在支護強度不足處變形破壞嚴重。在頂板節理裂隙發育的復合巖層時，需及時調整錨桿錨索排距至1000～1100 mm以保證預應力連續有效擴散，巷道地質條件復雜時采用頂板全錨索支護加強對頂板巖層控制。

4 含節理頂板數值模擬分析

根據73092工作面地質力學參數，模擬中等圍巖結構條件下的埋深煤層開采，設置水平層理條件下頂板不同裂隙面寬度（裂隙寬度10 mm、50 mm、100 mm及錨桿錨固范圍外四種情況），預應力300 N·m條件下，從巷道表面位移大小，圍巖受力狀態以及巷道圍巖應力場分布特征的方面來分析復合頂板對錨桿錨索支護的影響。其垂直應力、水平應力模擬結果見圖3、圖4。

圖3 支護范圍內不同裂隙寬度條件下巷道圍巖垂直應力分布

圖4 支護范圍內不同裂隙寬度條件下巷道圍巖水平應力分布

頂板不同裂隙尺度下巷道變形量見表2。

表2 不同裂隙尺度下巷道變形量

從應力場分布及變形數據來看，由于裂隙的作用，在巷道頂板和裂隙表面形成了較大范圍的拉應力區，錨桿錨固范圍內存在裂隙或裂縫條件下，裂隙寬度為10 mm時，最大垂直應力為12.38 MPa，最大水平應力為16.08 MPa；裂縫寬度為50 mm時，最大垂直應力為12.57 MPa，最大水平應力為16.22 MPa；裂縫寬度為100 mm時，最大垂直應力為12.79 MPa，最大水平應力為16.31 MPa。錨桿錨固范圍外，錨索錨固范圍內存在裂縫條件下，裂縫寬度為100 mm時，最大垂直應力為12.26 MPa，最大水平應力為16.64 MPa。

預應力為300 N·m時，從位移場分布來看，由于裂隙的作用，錨桿錨固范圍內存在裂隙或裂縫條件下，裂隙寬度為10 mm時，頂板最大下沉量為44.6 mm，最大底鼓量為33.3 mm，兩幫最大移近量為91.6 mm；裂縫寬度為50 mm時，頂板最大下沉量為49.1 mm，最大底鼓量為33.1 mm，兩幫最大移近量為94.4 mm；裂縫寬度為100 mm時，頂板最大下沉量為53.5 mm，最大底鼓量為32.8 mm，兩幫最大移近量為96.7 mm。錨桿錨固范圍外，錨索錨固范圍內存在裂縫條件下，裂縫寬度為100 mm時，頂板最大下沉量為42.3 mm，最大底鼓量為33.4 mm，兩幫最大移近量為90.5 mm。

當巷道頂板存在軟弱結構面或裂隙時，巷道圍巖應力場和位移場將發生顯著變化，由于裂隙處無法進行應力的傳遞，從而對應力場和位移場分布形態產生很大影響。從不同裂隙寬度的圍巖應力場和位移場分布可以看出，裂隙越寬，巷道應力集中程度越高，圍巖變形越劇烈；裂隙距離巷道表面越遠，對巷道變形的影響程度越小。因此需要對錨桿錨索排距進行合理調整，以滿足頂板巖層內高預應力連續擴散要求。

5 支護對策

在以上數值模擬研究的基礎上，針對含節理、軟弱夾層的復合頂板條件提出以下支護對策：

1）當節理、軟弱夾層等復合巖層主要分布在錨桿支護范圍外時，錨桿支護作用仍可有效發揮，調小錨桿錨索排距至1000～1100 mm。加強錨索錨固力及預緊力檢測，不合格時及時采取補強措施。

2）當節理、軟弱夾層等復合巖層主要分布在錨桿支護范圍內時，建議采用頂板全錨索支護，錨索長度5300 mm左右，排距1200 mm，同時增加幫錨索數量至每排2根，進一步加強煤幫變形控制，錨索長度、間排距及數量，可以依據現場錨固范圍巖層結構特點適當調整。加大初始預應力強度，控制淺部圍巖的錯動膨脹變形。

6 結語

通過對73092工作面復合頂板條件進行巷道受力分析和不同寬度裂隙數值模擬，分析了應力場與圍巖變形變化特征，提出合理的符合支護對策：當節理、軟弱夾層等復合巖層主要分布在錨桿支護范圍外時調小錨桿錨索排距至1000～1100 mm；當節理、軟弱夾層等復合巖層主要分布在錨桿支護范圍內時，建議采用頂板全錨索支護，長度5300 mm左右，排距1200 mm，同時增加幫錨索數量至每排2根，進一步加強煤幫變形控制，使巷道圍巖保持很好的完整性。