（陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713602）

煤巷復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理與與錨桿（索）支護(hù)作用的探究

張連良 王 勝 陳方明

（陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713602）

煤巷復(fù)合頂板變形破壞現(xiàn)象日益增多，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。在復(fù)合頂板的煤巷中，保持復(fù)合頂板及兩幫穩(wěn)定，控制和減小圍巖的變形，提高圍巖整體穩(wěn)定性，已經(jīng)成為該類巷道管理的關(guān)鍵點(diǎn)。本文以亭南煤礦二盤區(qū)204工作面順槽煤巷復(fù)合頂板為研究對象，在分析煤巷復(fù)合頂板錨桿變形破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，對復(fù)合頂板煤巷的錨桿（索）支護(hù)作用進(jìn)行探討和研究。

復(fù)合頂板；變形破壞；錨桿（索）支護(hù)

亭南煤礦二盤區(qū)開采彬長礦區(qū)4號煤層，煤層厚15.8～22.8m，平均厚度19.1m，平均傾角4°。4號煤層位于侏羅系中統(tǒng)延安組，煤層局部含偽頂，其巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖，厚度一般小于0.3m，穩(wěn)定性差，隨采隨落，屬不穩(wěn)定巖體。本盤區(qū)采用分層開采綜合機(jī)械化采煤法，上分層開采6m。204工作面為首采工作面，兩順槽掘進(jìn)期間預(yù)留2.5m厚的頂煤。預(yù)留的2.5m厚頂煤中含1～3層厚0.1～0.5m厚的夾矸，夾矸巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖，從而形成了由煤層和泥巖相互間隔的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)。

1 亭南煤礦復(fù)合頂板錨桿支護(hù)變形破壞機(jī)理分析

錨桿支護(hù)前由于巷道開挖后應(yīng)力的釋放使復(fù)合頂板受力突然增大，應(yīng)力全部集中于頂板煤層軟弱夾層上，造成軟弱夾層與上部穩(wěn)定巖層產(chǎn)生較大離層和斷裂破壞，進(jìn)而造成普通巖層的破壞。軟弱夾層的離層和斷裂同時(shí)也加劇了普通巖層的離層和斷裂，造成巷道頂板整體破壞和失穩(wěn)，最后形成一冒落拱。這一過程從開始掘進(jìn)到最后破壞是在很短時(shí)間內(nèi)完成的。

錨桿支護(hù)后，軟弱夾層的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了明顯改善，但這并不是說軟弱夾層處不會發(fā)生破壞，而是這種破壞沒有支護(hù)之前那么明顯。由于預(yù)應(yīng)力錨桿的作用，對軟弱夾層來說，它又重新受到三向應(yīng)力作用，但是由于軟弱夾層的不穩(wěn)定性加之巷道開挖后和支護(hù)導(dǎo)致有些地下水會滲入軟弱夾層，所以支護(hù)后軟弱夾層在一定的時(shí)間內(nèi)還是有可能發(fā)生較為劇烈的變形破壞，進(jìn)而導(dǎo)致其它堅(jiān)硬巖層一起發(fā)生撓曲變形，并最終使頂板變形趨于穩(wěn)定。巷道頂板會有下沉，但是由于錨桿的支護(hù)作用巷道頂板下沉?xí)^小，而且這個(gè)過程持續(xù)時(shí)間不長。

通過以上分析可知，我們可以知道亭南煤礦復(fù)合頂板的變形主要是：巷道在開挖后還沒有支護(hù)前的短暫時(shí)刻從原來的三向受力狀態(tài)突然變?yōu)槎蚴芰?，這時(shí)各巖層的受力突然增大，特別是軟弱夾層在這一階段有可能因?yàn)橥蝗惠^大應(yīng)力的作用而破壞，這一短暫過程實(shí)質(zhì)上和前面的沒有支護(hù)的破壞是一樣的。在經(jīng)過這一短暫過程后，經(jīng)過支護(hù)，由于預(yù)應(yīng)力錨桿的作用，對軟弱夾層來說，又重新受到三向應(yīng)力作用，所以它不再會像無支護(hù)那樣在破壞后進(jìn)行無約束的變形，在水平方向構(gòu)造應(yīng)力作用下復(fù)合頂板各巖層隨其他堅(jiān)硬巖層一起進(jìn)行撓曲變形。

2 亭南煤礦復(fù)合頂板錨桿（索）作用機(jī)理分析

在復(fù)合頂板圍巖中，錨桿起著非常明顯的組合加固作用，一方面體現(xiàn)在錨桿的錨固力增加了各巖層間接觸壓力，避免各巖層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面增加了巖層間的抗剪強(qiáng)度，阻止巖層間的水平錯(cuò)動(dòng)，它大大減小圍巖變形和彎曲張力，從而起到加固圍巖提高其自穩(wěn)自承能力的作用。復(fù)合頂板煤巷兩幫變形對頂板穩(wěn)定性有較大影響，因而增加兩幫煤體的支護(hù)強(qiáng)度，控制其變形、破壞是對復(fù)合頂板的有效支撐。因此復(fù)合頂板煤巷兩幫支護(hù)強(qiáng)度和煤體殘余強(qiáng)度的提高是該類巷道圍巖控制的關(guān)鍵之一。

在復(fù)合頂板的支護(hù)過程中，單一采用錨桿支護(hù)往往不足以保證煤巷復(fù)合頂板支護(hù)的安全，這是由于復(fù)合頂板的厚度一般都大于錨桿錨固范圍的厚度。亭南煤礦204工作面兩順槽復(fù)合頂板厚度大于2.5m，而錨桿支護(hù)長度僅為2.1m。由于錨桿的錨固范圍有限，錨桿錨固范圍之外產(chǎn)生的離層就會導(dǎo)致頂板下沉和垮落，造成巷道的整體失穩(wěn)，出現(xiàn)頂板垮落、兩幫片幫等現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道的破壞。為了提高巷道整體的穩(wěn)定性，必須在常規(guī)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采取其他的加強(qiáng)支護(hù)的措施。補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)是常用的措施之一。錨索主要有以下兩方面的作用：一是通過高預(yù)緊力控制復(fù)合頂板的早期離層；二是利用錨索的高破斷力將潛在的垮落范圍內(nèi)的頂板巖層懸吊在頂板深部較穩(wěn)定的老頂巖層上，減小頂板巖層的下沉量，阻止錨桿錨固范圍內(nèi)的復(fù)合頂板巖層垮落，發(fā)揮懸吊理論的作用。

通過分析我們可以明確亭南煤礦204工作面順槽復(fù)合頂板的變形破壞規(guī)律是：復(fù)合頂板在垂直方向自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生撓曲變形，而水平方向的構(gòu)造應(yīng)力又加劇了復(fù)合頂板的變形，最終導(dǎo)致復(fù)合頂板失穩(wěn)破壞。在204工作面順槽中，由于巷道的開挖使復(fù)合頂板突然從原來的三向受力狀態(tài)變?yōu)閮上蚴芰?，頂板各巖層受力的作用產(chǎn)生變形甚至破壞（夾矸由于強(qiáng)度低、厚度小在這個(gè)時(shí)候首先破壞），而頂板巖層同時(shí)受到水平方向構(gòu)造應(yīng)力作用加劇了頂板巖層的撓曲變形，最終引起對頂板失穩(wěn)破壞。

結(jié)語

通過對亭南煤礦煤巷復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理與錨桿（索）支護(hù)作用的分析，我們可得知采用組合梁理論來進(jìn)行頂板錨桿的支護(hù)設(shè)計(jì)，采用冒落拱理論來進(jìn)行錨索的設(shè)計(jì)，對減小復(fù)合頂板下煤巷離層下沉量和提高圍巖的穩(wěn)定性具有重要的參考價(jià)值。

[1]潘永健,衛(wèi)進(jìn)．工作面巷道超前支護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)[J]．中國煤炭，2009（03）：64-66．

[2]楊峰．復(fù)合頂板動(dòng)壓巷道變形破壞機(jī)理與錨桿支護(hù)技術(shù)研究[D]． 山東科技大學(xué), 2006．

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