复合顶板巷道支护技术研究

王继松

(山西煤炭运销集团临汾有限公司，山西 临汾 041000)

0 引言

复合顶板在煤矿矿区中存在较为普遍，因井巷开挖扰动，围岩应力重新分布，复合顶板将会发生不均匀塑性变形，围岩结构面受到剪应力增大和原岩自重作用力，会造成剪切错动离层，相邻的岩层受力情况不同而导致弯曲程度也不同，软弱岩层容易遭受剪切断裂，软弱结构面极易发生弯曲离层。尤其在开采深部煤层时，围岩应力较浅部煤层更加明显，复合顶板发生塑性变化程度显著增加，松动圈范围显著扩大。当复合顶板发生塑性变化达到一定程度或者临界值时，复合顶板会发生剪切错动，造成局部或大范围内的断裂和垮落；当前，复合顶板冒顶事故频发，可能会造成人员伤亡和经济损失，是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，对复合顶板控制技术的深入研究对煤矿高产高效具有深远的意义[1]。

1 工程概况

山西煤炭运销集团同富新煤业回采10#煤层，该煤层位于太原组下段顶部，K2石灰岩之下，上距2#煤层平均距离为58 m。厚度为1.5～2.8 m，平均厚度为2.09 m，倾角为3°～10°，煤层硬度f值为2～3，节理裂隙较发育，为沉积稳定、结构简单-较简单的全区大部分可采中厚煤层。顶板为K2石灰岩，平均厚度为4.91 m，灰岩为深灰色，质地坚硬、性脆，属坚硬岩石，岩体完整时构成了坚硬极难冒落顶板，饱和抗压强度48.5～58.8 MPa，属Ⅲ类稳定型顶板；底板以砂质泥岩、铝质泥岩为主，平均厚度4.73 m，黑色砂质泥岩饱和抗压强度27.6 MPa，属中硬岩层，为Ⅱ类中硬类底板。

首采面为10101工作面，掘进过程中顶板多处冒落，同时，顶板有整体下垮，压垮两帮的趋势。为了满足生产接替需要，在掘进10201运输顺槽和10201回风顺槽时，利用中国矿业大学YTJ20型岩层探测窥视仪勘查发现，直接顶坚硬顶板K2灰岩内包含多层黄泥夹层，黄泥夹层厚度最厚处竟达60 mm，黄泥夹层层位均位于2.3～4.2 m之间，严重影响了顶板的稳定性，同时给顶板支护带来了严重的困难。

2 巷道变形破坏机理与原因分析

2.1 复合顶板煤巷变形破坏机理

复合顶板包括2种类型：软硬岩层相互间隔组成、顶板下部为几层软弱岩层而顶板上部为稳定性较好的坚硬厚岩层。复合顶板的特点是各层岩层大都地质弱面(包括节理、裂隙)发育，各岩层厚度较小或者厚岩层存在分层且各分层厚度都较小，各岩层之间粘结力很小甚至没有粘结力。根据弹塑性力学的理论，复合顶板煤巷围岩的变形破坏，一般有以下规律。

载荷：巷道开挖后，横向荷载和纵向荷载作用于下位顶板岩层，对顶板挠度影响规律有本质差别，横向荷载增大只引起量变，纵向荷载增大会引起质变。纵向均布荷载在理论上存在一极限值，当纵向均布荷载趋向于该值时，板挠度趋向于无穷大，该值称为临界均布荷；当纵向均布荷载超过临界值后，顶板将会产生溃屈破坏[2]。

临界应力：影响临界应力的主要因素是跨厚比，其次是弹性模量和泊松比。跨厚比体现了层面间距和巷道跨度的关系，层面和节理的分布以及工程尺寸是影响顶板稳定性最重要的因素。

煤帮稳定性：应用弹性基础梁理论和极限平衡理论推导了煤帮塑性区宽度和煤帮水平位移的表达式，进而分析得出加强顶板和两帮支护都能够提高煤帮稳定性。煤帮稳定性的因素较多，这里主要探讨容易实现人工控制的一些因素对煤帮稳定性的影响，它们分别是煤帮支护力和顶板岩梁的刚度[3-4]。

2.2 复合顶板煤巷变形破坏原因

该矿井10201顺槽巷道顶板为典型的复合顶板煤巷。原设计采用普通树脂锚杆、锚网及工字钢棚的联合支护。分析顶板失稳、巷道变形破坏原因如下。

复合顶板岩层的早期变形没有得到有效地控制，而产生这种情况的原因是锚杆支护不及时和锚杆支护的主动支护作用没有发挥。存在软弱夹层的复合顶板，锚杆与围岩达不到耦合，不能有效承载围岩应力。当巷道开挖后，复合顶板可视为简支组合梁，由三向受力转变为二向受力，由于普通锚杆无预紧力，不能使得顶板由二向受力在最短时间内转变为三向受力，复合顶板发生不均匀塑性变形而弯曲离层；当顶板变形达到临界值时，复合顶板会发生剪切错动，离层整体下垮，不能有效控制围岩变形[5]。

架棚支护时，工字钢顶梁与巷道围岩之间存在一定的间隙，架棚支护的初撑力很小，不能对围岩的早期变形及顶板的挠曲下沉进行有效的约束。当围岩的变形达到一定的数值后，支架的作用力才逐渐增加，由于支架的承载能力增长缓慢，支架并不能有效的限制围岩变形，复合顶板持续挠曲下沉，围岩的自承能力显著降低，顶板离层开裂，顶板浅部岩体形成松动围岩压力，多数情况为膨胀动荷载与松动静荷载联合作用在支架顶梁上，顶板深部岩体持续变形；砂质、铝质泥岩底板，巷道开挖后遇水软化、膨胀，棚腿受垂直压力和水平压力作用而主要发生向下、向内的位移而失稳，最终导致矿工钢支护失效以及巷道的跨落与破坏。

3 支护参数设计

3.1 理论依据

根据传统的锚杆支护理论，对于复合顶板较厚的矩形回采巷道，应该用组合梁理论予以解释。结合上述复合顶板变形破坏机理和原因分析，复合顶板煤巷稳定性控制的途径[6]。

锚杆的加固作用：在复合顶板围岩中，发挥锚杆的组合加固作用，能大大减小围岩变形和弯张应力，加固围岩提高其自稳自承能力的作用。

复合顶板的支护：复合顶板的支护应该对锚杆施加较大的预紧(应)力，将锚固范围内顶板岩层压紧，增大岩层间的摩擦力，阻止锚固区各岩层间的离层及层间错动，提高厚层复合顶板的整体强度，加强厚层复合顶板的整体抗弯刚度，在巷道顶板形成具有一定厚度、强度及抗弯刚度的组合梁，使锚固体共同变形，形成一个整体承载结构，共同支承围岩载荷，从而能有效地控制复合顶板的早期变形[7]。

加固两帮：提高复合顶板煤巷两帮支护强度和煤体残余强度，加固两帮是控制复合顶板煤巷围岩变形的有效技术途径。一定范围内支护阻力与围岩变形量呈负指数关系，提高支护阻力可大大减少围岩变形量，有利于巷道围岩稳定[8]。

3.2 锚杆规格选择

10201运输顺槽顶板和两帮都选用规格为HRB335、φ22 mm×2 400 mm左旋螺纹钢锚杆。HRB335左旋螺纹钢锚杆破断载荷不小于180 kN，延伸率不小于20.3%，尾部螺纹均采用滚丝机加工，长度不小于120 mm。锚杆采用树脂药卷锚固，每根锚杆使用1支CK2835和1支Z2850树脂药卷锚固，锚杆配套使用半球形垫圈、树脂减摩垫圈、快速安装螺帽。碟型钢托盘规格：120 mm×120 mm×10 mm，要求托盘厚度不得小于10 mm。

3.3 锚索规格选择

根据该煤矿顶板岩性特征和地质情况，选用长度约为5～7 m的小孔径锚索。预应力锚索的主要部件为钢绞线、锚具和锚固剂。钢绞线的选用要求为高强度、韧性好、低松弛，实现自身搅拌树脂药卷快速安装。根据10201运输顺槽和回风顺槽的地质及力学参数和数值模拟结果，确定所掘10201运输顺槽和回风顺槽选用规格为φ18.9 mm×6 300 mm。

3.4 具体支护方案

10201运输顺槽巷掘进断面为4 000 mm×2 900 mm，沿煤层顶板掘进。

顶板：用网孔大小为50 mm×50 mm的菱形金属网护顶，锚索加强支护。钢筋梯子梁使用φ12 mm的钢筋焊接，菱形金属网采用10#镀锌铁丝编制。选用规格φ22 mm×2 400 mm的树脂锚杆，每排4根锚杆，间排距为1 100 mm×1 000 mm，树脂药卷锚固(CK2335、Z2360各1支)，碟形托盘尺寸规格120 mm×120 mm×10 mm、配合半球形垫圈和快速安装螺帽。顶板锚索规格为φ18.9 mm×6 300 mm的小孔径预应力锚索，间排距为1 400 mm×2 000 mm，树脂药卷锚固(CK2335、Z2360各2支)，碟形钢板托盘尺寸规格为300 mm×300 mm×16 mm、配套锁具、调心球形垫圈。

两帮支护：用网孔大小为50 mm×50 mm的菱形金属网护帮。该金属网由10#镀锌铁丝编制。选用规格为φ22mm×2 000 mm的锚杆，每排6根，间排距为1 000 mm×1 000 mm，树脂药卷锚固(CK2335、Z2360各1支)，配用尺寸规格为120 mm×120 mm×10 mm的碟形托盘、半球形垫圈和快速安装螺帽。巷道支护断面如图1所示，单位为mm。

a-剖面图；b-俯视图图1 巷道支护断面图

4 现场支护效果及效益分析

4.1 现场支护效果

改进方案后，对10201运输顺槽巷变形破坏情况进行了矿压观测，为验证试验巷道锚杆的预紧效果，采用相应的扭矩扳手和压力表，得到扭矩与锚杆预紧力的关系。结果为：当锚杆扭矩分别为200 N·m、250 N·m、300 N·m时，锚杆预应力分别为30 kN、40 kN、50 kN。根据锚杆支护施工质量规范，锚杆的预紧力应达到30 kN。通过现场监测，在施工完成的100 m巷道中，顶锚杆及帮锚杆的预紧力均达到了30 kN以上，液压枕稳定读数均在50 kN以上。同时在巷道内设置了矿压观测，对巷道两帮、顶底板的变形移近量进行监测，监测结果如图2所示，结果显示巷道围岩变形量大幅降低，巷道顶板稳定性增强。因遇地质条件发生变化和施工技术水平问题，巷道也存在少量维修情况，从现场情况来看，巷道维修率约为5%左右，联合支护取得较好效果。

图2 10201运输顺槽巷道表面变形曲线

4.2 经济效益分析

在原有支护方式下进行优化后，采用新方案进行施工，先对这两种方案的经济效益进行分析，原设计方案锚杆间排距800 mm×800 mm，锚索间排距为1 400 mm×1 000 mm，并配合矿工钢联合支护。新设计方案锚杆间排距1 100 mm×1 000 mm，锚索间排距为1 400 mm×2 000 mm。根据两种支护设计的参数，在材料单价相同的条件下测算，费用汇总见表1。

表1 10201运输顺槽两种支护方案每米费用汇总

对比2种不同支护方式每米费用消耗，新方案每米初次支护费用、维护费用均降低达2 874.56元。因此，10201运输顺槽(设计长度1 000 m)新支护方案较原方案节省费用280余万元。

5 结论

(1)以10201运输顺槽复合顶板煤巷为例，根据工程地质资料和现场实测情况分析，复合顶板煤巷变形破坏的原因在于，不仅普通锚杆无预紧力，锚杆与围岩达不到耦合，锚杆支护不及时和锚杆支护的主动支护作用没有发挥，而且架棚支护的初撑力小、承载能力增长缓慢，不能有效承载围岩应力，复合顶板岩层的早期变形没有得到有效地控制。

(2)复合顶板煤巷支护，应本着及时、早强的原则进行。对锚杆施加较大的预紧(应)力，尽早进行锚索支护，在巷道开挖后短时间内使顶板形成具有一定厚度、强度及抗弯刚度的组合梁，使锚固体共同变形并整体承载，有效控制复合顶板的早期变形。

(3)提高复合顶板煤巷两帮支护强度和煤体残余强度，加固两帮是控制复合顶板煤巷围岩变形的有效技术途径。

(4)在复合顶板煤巷锚杆作用机理分析和研究试验的基础上，采用锚杆—锚索联合支护的方案，确定了相应锚杆、锚索及配套支护材料的支护参数。

(5)10201运输顺槽巷道支护试验证明，复合顶板锚杆支护设计是可行的。不仅改善了巷道维护状况、提高巷道安全施工效率、降低了巷道掘进与维护成本，体现了较好的安全经济效益，而且为类似复合顶板煤巷支护提供了可靠的理论依据和技术途径。