特厚煤層回采巷道頂板破壞及其控制研究

王沛楠

（1.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島266590；

2.山西晉城無煙煤礦業集團有限公司晉圣誠南煤業，山西 晉城048100）

據統計，中國已探明的煤炭儲量達1萬億t，其中厚煤層占45%[1-3]。隨著開采強度和機械化水平的提高，煤礦工作面的生產設備逐漸增大，煤炭產量大大增加。同時，根據通風、生產和運輸的要求，巷道斷面越來越大。另外，巷道在煤層底板中布置，巷道三側均為煤體，與巖層巷道相比，煤體支承強度較低，巷道服務期間頂板巖移運動劇烈、兩幫明顯向內擠壓；工作面回采過程中，巷道頂板容易發生局部或大面積瞬發性垮冒事故，從而給安全生產帶來重大影響[4]。為切實保障特厚煤層巷道頂板支護安全，促進此類礦井的安全高效生產，對回采巷道頂板變形破壞特征和控制的研究具有重要意義。

許多專家學者對這一方面做了大量的研究和探索[5-7]。薛晟[8]等分析塔山礦1070輔助運輸大巷變形破壞特征，提出了“注漿+工字鋼支架+錨桿二次支護體系”，RS2D驗證效果，并進行現場實踐；高鴻宇等[9]提出采用錨桿、錨索、金屬網進行聯合支護來解決巷道強烈變形問題，魏臻等[10]通過對特大斷面碎裂厚煤層巷道破壞機制的研究，構建了以“彈性梁”為基礎的巷道頂板力學模型，并對新型預應力桁架錨索支護系統進行了工程應用。以某礦30509運輸巷作為背景，分析了煤巷頂板的變形破壞機理，提出了錨網索支護方案，并對其支護效果進行了現場試驗。

1 工程概況

30509工作面采厚為4 m，放煤厚度為11.1 m，走向長度約為1 708 m，傾斜長度為160 m，煤層埋深307～454 m，傾角為1～8°，平均4°，屬近水平煤層。運輸巷斷面為矩形巷道5.2 m×3.6 m，沿底板布置。煤巖層物理力學參數如表1所示。

表1 煤巖層物理力學參數表

2 巷道頂板破壞機理分析

據現場實際地質條件，通過有限元差分軟件FLAC3D對巷道開挖后無支護條件下圍巖的應力場、位移場以及塑性場分布進行分析，結果如下頁圖1所示。

圖1 -1體現了巷道開挖之后頂底板表面圍巖所受垂直應力變化規律，由于巷道開挖導致周邊巖體的支承條件發生改變，其原始平衡狀態遭到破壞，巖層邊界的受力情況隨之改變，原巖應力重新分布過程中，巷道頂板淺部圍巖產生巨大的膨脹壓力和強烈的變形，過度變形導致圍巖強度顯著降低甚至完全喪失，承擔荷載的作用明顯減弱，出現卸荷現象；而高應力向深部圍巖兩幫轉移。

圖1 -2揭示了巷道頂板變形特征，開挖后巷道頂板淺部圍巖處于兩向應力狀態下，受拉應力和剪切應力的作用，巷道頂板淺部圍巖開始出現塑形破壞，隨著淺部圍巖破壞區域快速增大，巷道變形量逐步增加，由于有害變形的惡性發展，從而引發頂板圍巖擴容、碎漲、離層等現象發生，致使巷道表面附近圍巖承載能力下降，上位煤層應力狀態由三向應力向兩向應力傾斜，頂板圍巖再次發生變形與破壞，但因為下部巖層尚具有殘存的支承應力，因此該處頂板圍巖位移量相比下位巖層要小，最終，伴隨著巷道頂板圍巖集中應力不斷向深部移動，巖層恢復到原始應力狀態，圍巖變形逐漸趨于零[11]。

圖1 -3反映了巷道開挖后圍巖塑性破壞區分布情況，開挖后巷道頂幫和底板淺部煤體主要受拉剪破壞，深部煤巖體受剪切破壞，巷道圍巖總體呈現出橢圓形狀的塑性破壞區，巷道圍巖失穩破壞以頂板和兩幫為主，底鼓量較小，其中頂板圍巖變形值遠大于兩幫變形，頂板塑形區達到3.1 m，兩幫破碎2.5 m，底板破壞深度為1.8 m。

圖1 無支護條件下巷道變化趨勢圖

3 回采巷道頂板變形控制

3.1 回采巷道頂板破斷控制技術

根據特厚煤層回采巷道頂板淺部巖層受剪切-拉伸破壞嚴重，致使其承載能力減弱，引發破碎區惡性發展，導致塑性區范圍較大，巷道頂板下沉明顯等特征。設計采用錨網索頂板控制技術。如圖2所示。

圖2 巷道支護斷面圖（mm）

特厚煤層回采巷道頂板控制的實質是支護體適應頂板破碎區巖層的大變形。采用錨網索支護時，預應力錨桿能夠及時、主動地為巷道頂板淺部圍巖提供作用力，使圍巖受力均衡，提高殘余煤巖體強度，從而改善頂板煤體有害變形的擴大趨勢，增強圍巖的穩定性；另外，預緊力錨桿可將錨固范圍內的軟弱巖層壓緊，使其組合成具有一定厚度、強度和抗彎剛度的整體性承載結構，最終達到錨固體共同變形、整體承載的目的。同時，巷道頂板煤體厚度較大，頂板塑形區破壞范圍已超過了其錨桿體的錨固范圍，離層常發生在非錨區域，頂板下沉和突發性垮落等現象[12]，造成巷道的嚴重破壞，因此需要利用預應力錨索錨固深度大、錨固力強等優點，加強對頂煤的控制。預應力錨索將錨固形成的組合梁以及非錨的塑形區巖層懸吊在頂板深部穩固的巖層中，可充分調動深部煤巖體的承載能力，有效阻止組合梁與上覆巖層的離層，并可降低頂板巖層的下沉量，從而有效控制巷道頂板的變形失穩。

3.2 頂板破斷控制效果分析

下頁圖3體現了錨網索支護條件下巷道的圍巖應力、塑性區分布及頂底板巖移量等情況。由圖3-1巷道圍巖應力分布圖可以看出，雖然錨網索支護時，特厚煤層回采巷道頂板淺部圍巖應力集中區域仍然很明顯，同時垂直應力大于支護前相對應范圍的應力值，但是相比于無支護應力場來說頂板應力集中程度顯著降低。由圖3-2巷道塑性區分布可以看出，錨網索支護巷道頂板圍巖仍處于塑形狀態，但頂板塑形區范圍相對無支護巷道頂板塑形區明顯減小，說明錨網索支護能與圍巖頂板形成協調支護方式，充分發揮圍巖的自撐能力，更好的穩定支撐巷道頂板。另外，圍巖塑性區均未超過錨索的錨固范圍，因此，錨網索支護能夠及時控制頂板圍巖變形的惡性積累，遏止塑性區向圍巖深部貫通發展，從而實現維護圍巖穩定的目的。由圖3-3中可以看出，施加聯合支護后，相對于無支護狀態，巷道頂板位移明顯降低，其中巷道頂板圍巖的收斂值為406 mm，降幅達21.5%，控制效果明顯。結果表明錨網索支護能夠提高巷道圍巖的完整性，降低應力集中程度，從而限制巷道的變形破壞。

圖3 支護條件下巷道變化趨勢圖

4 井下工程應用

對30509工作面運輸巷回采期間巷道頂板錨桿索受力及離層情況進行了監測，觀測結果如圖4所示。

圖4 巷道支護效果圖

由圖4-1可知，隨著工作面的推進，監測點的頂錨桿和頂錨索受力變化基本一致，距工作面67 m左右時，錨桿索受力達到最高點，此時，錨桿承受載荷為21.52 kN，錨索為34.88 kN，距工作面99～67 m范圍內，錨桿的受力增幅為9.54 kN，錨索的增幅為21.3 kN；主要原因是錨索的較高預緊力，作用范圍大，抗強采動能力高；說明錨桿索能夠提高巷道頂板錨巖支護體的承載能力，保持巷道頂板圍巖的整體穩定性，實現對巷道頂板主動支護，從而有效限制巷道頂板的變形失穩。

由圖4-2可知，測點距工作面62.8 m時，深點處的離層值為10.95 mm，淺點處離層值為7.61 mm，隨著工作面的不斷推進，巷道頂板的變形量明顯增加，繼續推進約30 m時，淺基點處的離層值達到最大38.11 mm，深基點處的離層值達到最大為39.60 mm，頂板離層主要集中在淺部位置?？傮w看來，30509工作面回采過程中運輸巷頂板離層量較小，錨桿索支護效果較好。

5 結論

1）特厚煤層回采巷道頂板淺部圍巖主要發生拉伸-剪切破壞，表面圍巖破壞嚴重，承載能力弱，頂板下沉量大。

2）在提出錨網索頂板控制技術的基礎上，進行數值模擬支護效果，頂板淺部巖層卸荷應力集中程度降低，圍巖塑形區明顯減小，頂板巖移量得到了控制。

3）現場應用實踐表明，錨網索支護能夠實現對特厚煤層回采巷道頂板控制的目標，滿足礦井的安全生產要求。