祁雨鹏

(晋能控股煤业集团 赵庄煤业，山西 长治 046600)

1 工程概况

山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司1312工作面井下位于一盘区，工作面开采3号煤层，煤层平均厚度4.75 m，平均倾角5°，顶底板岩层特征见表1。1312运输巷道煤层底板掘进，掘进断面为矩形，净断面尺寸为宽×高=5.4 m×4.4 m。由于巷道顶板岩层呈层状赋存，顶板属于复合顶板，为保障巷道围岩的稳定，特进行复合顶板围岩控制技术研究分析。

表1 煤层顶底板岩层特征

2 复合顶板变形失稳机理

2.1 顶板失稳机理分析

根据众多工程实践的统计结果可知[1-3]，复合顶板的失稳主要表现重力驱动型失稳和离层挠曲型失稳两种形式。重力驱动型失稳为巷道掘进期间，在无支护条件下，随着控顶距的不断增大，顶板在自重应力和构造应力的作用下会不断弯曲变形，随后发生失稳；离层挠曲型失稳为巷道服务期间，由于顶板岩层呈现为层状赋存，在采掘扰动下存在的顶板离层、挠曲现象，且该种现象存在着较大的隐蔽性和突发性。现根据1312运输巷道的特征，主要分析巷道在支护条件下的离层挠曲型失稳机理。

针对复合顶板岩层，由于其自身具有分层薄、层间粘聚力差的特征，若巷道在采用高预应力锚网索支护后，顶板岩层的稳定性会显著提高，但随着巷道服务时间的延长，顶板岩层在流变和采动影响下，围岩的变形不断加剧。顶板中的泥岩受水和风化的影响较大，致使巷道顶板岩层出现风化破碎的现象，导致巷道锚杆索的预应力出现一定程度的损失，锚杆索支护对顶板岩层的主动支护作用便会大幅减小。

复合顶板岩层在下沉过程中，岩层层间会产生一定的剪切作用力，当岩层层间的剪切作用力大于支护系统中的剪切阻抗时，顶板岩层中便会出现明显的离层错动现象；随着巷道服务时间不断延长，锚索的支护状态会发生改变，顶板岩层在自重和构造应力作用下不断发生弯曲变形，当巷道顶角的剪应力超出岩体的剪切强度后，岩层会以一定的角度呈现渐次向上破坏的特征，已发生破坏的岩体在顶板锚杆的组合作用和锚索的悬吊作用下未发生垮落，但随着顶板岩层破坏范围的不断增大，当应力大于锚杆索的极限强度时，锚杆索便会破断，致使支护强度大幅降低。当顶板的支护强度小于围岩压力时，顶板岩层2～3 m范围内的软弱岩层便会出现切落式失稳的特征，见图1。

图1 复合顶板巷道顶角破坏特征现场

2.2 变形失稳主要影响因素

由于巷道地质条件较为复杂，影响顶板失稳的因素较多，结合众多理论研究和工程实践结果可知[4-6]，复合顶板变形失稳的主要影响因素包括煤帮承载特征、软弱夹层、顶板水及锚杆索工作状态四个方面，具体分析如下：

1) 煤帮承载特征：煤帮作为复合顶板岩梁的载体，其破坏程度和范围会直接影响顶板的支撑方式，根据相关研究可知[7]，当顶板为复合顶板时，煤帮在强支护和弱支护方式下，围岩塑性区的分布特征如图2所示。从图中能够看出，当松弱煤帮对顶板的支撑强度低时，复合顶板不仅会在巷道跨度内发生破坏，还会在煤体内部一定深度的顶板内发生破坏，进而使巷道顶板出现变形失稳。

图2 煤帮不同支护强度下围岩塑性区分布

2) 软弱夹层的影响：顶板岩层中的软弱夹层是顶板结构中的薄弱部分，其对顶板岩层的变形存在着较大的影响，顶板中软弱夹层的存在易使顶板出现沿层破坏，导致顶板岩层中出现较大范围的离层，使得顶板岩层抵抗变形的能力大幅降低，巷道顶板冒顶和垮落高度会不断增大。针对软弱夹层的顶板，应尽量采用高延伸率的支护结构以适应围岩的变形特征。

3) 顶板水的影响：由于顶板岩层中存在的泥岩等岩层具有遇水易软化的特征，软化后岩体的承载能力会大幅降低，导致顶板所需的支护强度变大。在设计支护方案时应尽可能地提高护表构件的强度和刚度，提供充分的预应力扩散条件，增大护顶面积，保障表面围岩的稳定。

4) 锚杆索工作状态影响：锚杆索的工作状态会直接影响顶板的支护强度，锚杆索失效后，顶板岩层的支护强度会大幅降低，使巷道顶板出现变形失稳。为充分保障复合顶板岩层的稳定，在设计支护方案时，应尽量一次支护到位，最大限度地提高顶板的支护强度。

3 围岩控制技术

3.1 支护方案

根据上述分析结果，结合1302运输巷道的地质条件，确定巷道的支护应坚持长短、强弱结合、支护疏密结合的原则。针对软弱黏结层状顶板，采用锚杆索协调支护，充分发挥高增阻、强初撑和高工作阻力的特征，提高巷道帮部支护强度，具体支护方案如下：

1) 顶板支护：顶板采用全锚索支护，锚索由1×19股高强度低松驰钢绞线剪切而成,D22 mm，长度6 300 mm，型号SKP22-1/1720-6 300 mm，间排距为1 200 mm×1 200 mm，全部与顶板垂直打注。每排5根锚索，靠帮侧锚索距帮400 mm。托盘采用高强度碟形托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm，设计锚固力不小于400 kN，预紧力不小于250 kN，外露长度150～250 mm。钢筋托梁：采用D14 mm的钢筋焊接，宽80 mm，长度4.9 m，型号T4900×80/14-80×100，在安装锚杆位置处焊接两段纵筋，纵筋间距100 mm，采用10号铁丝编织的金属菱形网护顶，型号LW10/70-1.35×5.8，网片规格为5.8 m×1.35 m，网孔规格为70 mm×70 mm。

2) 巷帮支护：锚杆采用型号为MSGLW-500/22-2400左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度2.4 m，托盘采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×10 mm，锚杆间排距950 mm×1 200 mm，锚固方式为加长锚固，预紧力矩不小于400 N·m，顶底角锚杆与水平线角度为10°，其它均与巷帮垂直，帮部锚索采用1×7股高强度低松驰钢绞线，型号为SKP17.8-1/1860-5 300 mm，托盘采用高强度碟形托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm，垂直巷帮打注，设计锚固力不小于150 kN，预紧力不小于140 kN，同样采用10号铁丝编制的金属网进行护帮，采用钢筋托梁进行锚杆索间的连接。

1312运输巷道巷道支护方案如图3所示。

图3 巷道支护方案断面(mm)

3.2 效果分析

1312运输巷道掘进期间，每间隔50 m布置1个巷道表面位移监测站，对每个测站持续进行90 d的监测作业，根据监测结果得出巷道表面位移曲线如图4所示。

图4 巷道掘进期间围岩变形曲线

分析图4可知，巷道掘进期间，不同测站间的顶板下沉量及两帮移近量曲线呈现为相同的变化趋势，变形主要出现在0～40 d的范围内，巷道掘出50 d后围岩基本处于稳定状态，最终顶板下沉量和两帮移近量的最大值分别为72 mm和163 mm，围岩处于稳定状态。

4 结 语

根据1312运输巷道复合顶板的特征，通过理论分析的方式进行复合顶板变形失稳机理的分析，得出影响顶板稳定的主要影响因素，确定巷道高增阻、强初撑和高工作阻力，顶帮协调支护的支护原则，结合巷道特征进行具体锚杆索支护方案的设计，根据巷道掘进期间的围岩变形监测结果可知，围岩变形量小，满足回采巷道的使用要求。