采区巷道复合顶板变形破坏规律技术研究

张连良 王胜

(陕西长武亭南煤业有限责任公司,陕西咸阳 713602)

采区巷道复合顶板变形破坏规律技术研究

张连良 王胜

(陕西长武亭南煤业有限责任公司,陕西咸阳 713602)

长期以来,国内外很多专家学者对煤矿巷道复合顶板变形机理和控制技术做了大量的研究工作,取得了一批重要的理论研究成果,提出了众多的复合顶板控制实用技术。然而,这些研究很少对整个复合顶板进行受力分析和变形分析,没有意识到加固后的复合顶板本身也是支撑体,可以支护围岩。

复合顶板 控制技术 破坏规律

锚杆支护是我国煤巷支护技术改革的发展方向。自从80年代中后期在徐州、新汶、淮南、西山等少数几个矿区进行一些基础性的研究和试验以来，经过20余年的发展，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类巷道中使用锚杆支护的问题已经完全解决，目前我国国有大中型煤矿煤巷锚杆支护应用的比例已经达80%。

1 复合顶板的概念

复合顶板结构一般为软硬岩互层，或有煤线及软弱夹层存在，岩层间粘结力极低，弱面发育，很容易发生顶板离层，造成冒顶事故。复合顶板支护的难度在于岩层间的结合力低，有软夹层地质弱面存在，普通锚杆无法锚固到上部稳定岩层中，承载能力有限。而且软夹层本身的松动膨胀也会对下位岩层形成较大的垂直载荷，加上受采动影响，易造成锚杆与锚固顶板整体垮落。

2 煤巷复合顶板变形破坏的力学机理

复合顶板区别于其他层状顶板的根本构造原因就在于复合顶板中存在软弱夹层，软弱夹层本身的强度变形特性就比较复杂，复合顶板失稳破坏就开始于软弱夹层，因此这部分着重分析复合顶板中软弱夹层在顶板支护前后的力学状态。

3 复合顶板在水平方向构造应力和垂直方向自重应力作用下的受力状态

复合顶板在水平方向的构造应力作用主要表现为压应力，顶板各岩层所受的水平方向的构造应力大小与各层厚度有关。下面我们先来分析复合顶板各岩层都承受多大的水平方向构造应力。

4 复合顶板的挠曲变形机理分析

巷道开挖后，巷道围岩为承载的主体结构。对于复合顶板，一般直接顶分层厚度较薄，分层厚度与巷道跨度之比基本满足薄板假定，因此可视为薄板结构。

复合顶板内各岩层的破坏虽然是始于软弱夹层，但对整个复合顶板巷道而言其破坏宏观上是从顶板最表层开始破坏失稳并逐渐向上扩展。若顶板岩性均匀，则位于表面的第一层岩石最容易发生屈曲破坏，第一层发生屈曲破坏后与第二层分离，第二层成为表面层其受力状态与第一层相似，如满足屈曲破坏条件将发生屈曲破坏，第三层又成为表面层，如此循环，直到某一岩层不满足屈曲破坏条件为止。因此我们取复合顶板最下层岩层为研究对象，研究其挠曲变形机理。

从上面分析我们可以看出，随着垮厚比的增大，临界应力减小，顶板稳定性恶化，也就是说当巷道和顶板岩石的单轴抗压强度不变时，层状顶板分层厚度对顶板的稳定性有重要影响，分层厚度越小，垮厚比越大，顶板发生屈曲破坏的临界应力越小，顶板也就越容易失稳。

图1 复合顶板变形破坏规律

5 复合顶板变形破坏规律分析

通过前面关于复合顶板受力状态的分析我们可知复合顶板在自重应力和构造应力作用下的变形规律为：①结构承载调整，巷道在开挖后复合顶板由原来的三向应力状态突然变为双向应力状态，顶板岩层应力释放并产生一定量的下沉;②结构刚度弱化，软弱夹层在荷载作用下破坏，降低了复合顶板的整体刚度，使顶板结构弱化，造成巷道顶板发生较大的二次变形;③应力调整，复合顶板中其他岩层进行应力调整，产生少量的挠曲变形;④结构失稳(或稳定)，若巷道顶板能够承受围岩荷载则经过应力调整后顶板变形趋于稳定，巷道顶板不会失稳破坏;若巷道顶板不能承受围岩荷载则经过应力调整后顶板剧烈变形并失稳破坏。(见图1)

6 复合顶板变形破坏影响因素分析

煤巷复合顶板的失稳变形是在地应力、围岩力学性质、围岩结构、巷道断面等因素共同作用下产生的。由上面的分析可知对复合顶板稳定性影响的因素主要有以下几点：

(1)地应力，地应力包括水平方向的构造应力和垂直方向的自重应力，它们是引起煤巷复合顶板变形和破坏的根本原因，复合顶板在垂直方向的自重应力作用下产生弯矩，在复合顶板各岩层中表现为产生拉应力，导致顶板软弱夹层被拉坏甚至坚硬岩层被拉坏;水平方向的构造应力在复合顶板各岩层中产生压应力，这对垂直方向的自重应力产生的拉应力起减弱作用，水平方向的构造应力增大了复合顶板各岩层的挠曲变形，因此在进行复合顶板支护设计时不能忽视水平方向的构造应力的作用。

(2)围岩力学性质，围岩力学特性对复合顶板的稳定性有重要影响。表征围岩力学特性的物理量主要有：围岩强度、弹性模量、内摩擦角、凝聚力、泊松比等，顶板围岩的力学参数越高，顶板应力越小、变形越小，巷道越稳定。

(3)围岩结构，煤层巷道围岩一般呈层状分布，并且不同程度地受节理、裂隙的切割。巷道顶板岩层各分层的岩性、厚度及节理裂隙发育程度对顶板的稳定影响极大。在巷道顶板岩性一定的情况下，分层厚度、节理裂隙间距越大，巷道顶板稳定性越好，那么顶板离层值就越小。对复合顶板而言，由于软弱夹层的存在，复合顶板在不支护的条件下很难保持稳定。从复合顶板的支护就是要尽量减少单个分层的厚度，提高复合顶板的整体性。

(4)巷道断面，巷道断面的大小也对复合顶板的稳定有重要影响。巷道跨度愈大，复合顶板应力越大，愈不利于巷道顶板的稳定。因此，在保证生产的条件下应尽量减小巷道尺寸，同时应加强巷帮的支护。因为巷道在受到回采动压的影响时，两帮煤壁有可能会因承受巨大的支撑压力而片帮，片帮将扩大巷道跨度并改变悬空顶板的支承条件，从而扩大巷道的跨度。

7 结语

综上所述，要改善煤巷复合顶板的受力状态，维护复合顶板的稳定性就要从以上几个方面着手。在保证安全生产的条件下尽量减小巷道尺寸、加强巷帮支护，采用锚杆支护、注浆等方法改善顶板围岩的力学性质和围岩结构。

[1]马庆虎,贾春雨.12CM系列煤巷复合顶板系统分析[J].中国煤炭,2007,2(4)：55-57.