大断面煤巷层状顶板失稳及质量控制研究

大断面煤巷层状顶板失稳及质量控制研究

祁浩浩,李亚斌

（陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307）

摘要：煤矿顶板稳定控制是煤矿安全生产的保证。在煤层中开挖的掘进的大断面巷道，由于煤层的强度普遍较低，顶板的层理和裂隙发育，层间结合度低，煤帮完整性差，巷道冒顶、片帮等安全问题日益突出，使巷道顶板的维护难度大。文章通过对目前巷道支护中的缺陷进行了分析，试图从根本上解决煤巷层状顶板的变形问题，并提出相应的支护对策。

关键词：顶板稳定；大断面；巷道支护；质量控制

0引言

煤炭是我国主要的能源，随着环境保护问题的日益突出，清洁能源的有效开发与利用已成为科技攻关的重点，煤炭的生产能力得到了一定程度的下降。但是，煤炭作为国家能源安全和促进国民经济发展的战略资源，在今后相当一段时期里，煤炭的比重将不会低于50%。煤矿安全事故频繁发生，给社会带来了严重的社会影响，使其在社会经济中的作用不能适应社会发展。在煤矿五大事故中，顶板事故发生率、死伤比例居第一位，顶板稳定控制问题非常突出。由于工作面装备的机械化、智能化，特别是高抗压液支架的大量使用，使得工作面发生的事故大为减少。矿井顶板的大部分事故都是由顶板的变形和不稳定引起的，亟待发展和改进。

1 大断面煤巷层状顶板变形失稳机理

1.1 重力驱动型失稳

在煤层中，由于煤层的高度发展，煤巷开挖后，煤层的自稳性较低，很难形成承载自重的结构，在重力的作用下开始下沉，并与上部的较完整的顶板脱离。这种顶板往往受到水压的严重影响，由于井下湿热气流进入顶板表层的微裂缝，使裂缝进一步扩大、贯通，从而使顶板的自稳性进一步降低。如果不及时进行支护或支撑强度不够，将导致顶板在自重的作用下发生不稳定，从而导致整体的切落冒顶。井下资料显示，超过80%的超高巷道是由岩体中极具发育的层理所致，大部分为重力作用引起的。

1.2 离层挠曲型失稳

（1）无支护条件下失稳

在巷道掘进之前，没有开挖干扰的情况下，煤岩的应力场较为稳定。开挖后使围岩应力发生变化，并会自动恢复到新的平衡状态。在应力调节期间，煤层顶板处于卸载状态，使顶板的夹持作用减小。由于顶板层状较薄，层间粘附力较弱，在覆岩的自重和高水平应力作用下，顶板发生了弯曲、下沉，并在层间形成了剪力，在层间剪切力大于层间剪切阻抗的情况下，会产生剪切错动，两层之间的位移将维持一致，没有明显的离层。顶板进一步挠曲，在顶角上容易出现剪应力，超过顶板岩体的剪切强度时，会出现剪切失效，随着剪切破坏的发展，在巷道顶部出现了一条向下延伸到破碎带，随后与易离层的薄弱层理或互相贯通，从而形成了冒落体。在该区域中，由于没有支护，层状顶板在剪切断裂带的作用下，会发生逐渐失稳冒落。

（2）支护条件下失稳

对于分层薄、层间粘结力差、含多层软弱夹层的层状顶板是较为复杂的一种顶板，单层高预应力全锚索支护后，顶板的稳定性得到了明显的改善。但由于井巷使用年限的延长，导致顶板沉降加剧，围岩发生了较大的变形。在掘进中，由于过分追求速度，导致顶板、煤帮不能及时喷浆，导致顶板泥岩受到水流、风化的严重影响，造成巷道顶板受风化、破碎、锚杆预应力的影响，导致顶板受力下降，导致顶板产生沉降挠曲。在顶板沉降期间，层间存在剪力，当层间剪切力超过支撑体系的剪切阻抗时，顶板将发生错动分离，由于层间岩层厚度与弹性模量差异，导致岩体不协调，岩体产生了明显的离层。在复杂的顶板结构中，存在着多个跳跃的、不连续的离层，在单个水平的锚杆中，由于离层的存在，锚杆对离层的影响会大大减小，而对下部岩层来说，则是起到了悬挂的作用。随着锚杆工作条件的变化，顶板的挠曲变形进一步加剧，当巷道顶角剪应力超出岩体的剪力后，沿一定角度逐渐向上断裂，在锚杆的悬挂作用下，已经出现了断裂的岩体仍能保持较好的稳定性，但岩体的变形会导致锚杆承受的荷载越来越多，如果锚杆无法承受这样的变形，那么所承受的荷载就会超过极限承载力，当岩层破碎时产生剧烈运动，岩层其他岩层也会受到更大的破坏，岩层的支撑强度也会随之下降。

2 大断面煤巷层状顶板支护控制

2.1 锚杆锚索对层状顶板结构面的加固作用

锚杆、锚索等对层状顶板结构面的加固效果表现为：锚索在安装过程中施加高预应力，在结构面上施加高法向压力，使结构面的强度得到充分发挥，从而提高了结构面的粗糙度，提高了在滑动过程中的摩擦力；张拉预紧后的杆身及结构会产生较大的阻尼效应，因此应优先考虑全段锚固和加长锚固，以提高体系抗剪刚度；从顶板岩梁的力学原理可以看出，在巷道顶角处，层间剪切应力较大，而在中段附近则有较大的挠曲，因此在顶板的两侧，加大支护的强度和密度，为了有效地控制结构面的剪力破坏，在顶板中段增设支撑结构长度，并能有效地控制顶板的变形。

2.2 大断面煤巷层状顶板多层次支护技术

为有效地控制大断面煤巷分层顶板，必须确保顶板和岩梁的连续性，减小层间的剪切错动，并能有效地抑制巷道顶角的破坏。依据围岩特性和受力状况，采取“长短结合、强弱结合、疏密结合”的方法进行精细施工，争取在掘进过程中完成整体支护，以防止局部超支护的浪费和局部支护强度低冒顶隐患控制不足，最大程度地减少了后期维护。建议采用长锚杆、短锚索、长锚索等多层支撑技术，实现连续的预应力承载，提高了分层顶板的夹持力，使卸载对顶板的影响削弱：

第一层次：长锚杆，即在2.8~3.2 m范围内，长度超过有冒顶风险的不稳定层，优先使用全长锚固或延长锚固，以防止顶板之间的错位。煤层厚度大、层间粘附性差，临界失稳变形小，在浅层顶板上采用高预紧力，形成高法向应力，从而形成高剪切强度和刚性的组合梁。随着煤层的厚度、强度的增加，顶板的抗变形能力增强，顶板的稳定性提高，向巷帮深处的荷载也随之增大，方便了巷道浅层煤体的维护。

第二层次：短锚索，主要控制在不稳定层与深层稳定岩层之间的亚稳定岩层，长度约5.4 m。从岩梁的力学原理可以看出，层间剪切错动区位于巷道中部的两侧，采用高预应力的方法将锚索均匀地分布在这一区域，充分利用短锚的优势，有效地扩散和叠加预应力，提高了层间滑动阻力，减少了顶板间的剪切错动，提高了顶板的抗变形能力，并进一步强化了对下位非稳定层的控制，使靠巷帮锚杆倾斜一定角度，以进一步增强对顶角破坏的抑制作用。

第三级：长锚索，长度约7.4米的长锚索，利用高预应力将非稳定层、亚稳定层、稳定层连接起来，从而进一步控制非稳定层，挤压亚稳定层，并控制亚稳定层之上的软弱夹层，排除不确定的风险。长锚索布置在巷道顶板的中段，并在层状顶板的稳定岩层内部，起到减跨、减小顶板挠度的作用，降低了顶角的应力集中，并对顶角的剪切不稳定进行了抑制。采用长锚杆、短锚索构成的预应力支护结构，使其与深层稳定岩层之间互相挤压，以确保岩柱的连续性，并形成连续的预应力承载体，从而使深部稳定岩层的受力得到最大程度的发挥。

3结语

综上所述，针对目前大截面煤巷分层顶板的变形、不稳定现象，对其内部机制及影响因素进行了分析。采用多层支护技术，有效地控制了顶板的变形和不稳定，将不稳定岩层、亚稳定岩层与深部稳定岩层连接起来，并将锚杆和短锚之间的压应力区进行了叠加，保证了巷道的稳定、通畅，从而推动了煤矿的安全高效的生产。

参考文献

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祁浩浩（1996—），男，陕西甘泉人，汉族，本科，助理工程师现担任一号煤矿掘进一队技术员。