寶金海

（潞安集團司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 047105）

冒頂事故是煤礦常見的事故之一。隨著煤礦開采深度逐漸增大，伴隨而來的復(fù)雜工況增加了冒頂風(fēng)險。巷道冒頂是因圍巖破壞造成的，究其根本是由塑性破壞區(qū)域引發(fā)?？刂坪途S持塑性區(qū)域的范圍可以相對地穩(wěn)定圍巖結(jié)構(gòu)，防止冒頂事故。本文以司馬煤礦巷道為研究對象，在塑性圍巖區(qū)域理論的基礎(chǔ)上研究了層狀頂板回采巷道的冒頂機理，根據(jù)冒頂機理設(shè)計了相應(yīng)的控制方法和支護形式。

1 層狀頂板巷道冒頂機理

特厚煤層由于其頂板復(fù)雜特殊、自身普氏巖石堅固性低以及原巖作用和采動作用，造成了特厚煤層中塑性區(qū)域較多，此區(qū)域可以穿過堅硬巖層而不受影響，使得層狀頂板出現(xiàn)冒頂事故的幾率增大。

應(yīng)力不均的情況下，巷道受到較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，生成塑性破壞的區(qū)域會相應(yīng)增大，膨脹作用和變形都會增大，冒頂原理如圖1所示。

圖1 巷道頂板冒頂原理

由圖1可以看出，軟弱巖層中塑性區(qū)域穿過堅固的巖層后分布到軟弱巖層中，從而使得軟弱巖層膨脹壓力急劇升高，強烈變形增大，強大的作用力大大超過了錨桿支護壓力，使得下部堅硬層承受長時間的擠壓作用，當(dāng)擠壓應(yīng)力超過堅硬層強度極限后就會破壞堅硬巖石，出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，垮落巖石重力超過錨桿支護力時變形成了坍塌。厚巖層的冒頂高度位于堅硬層下邊界，塑性區(qū)域上邊界為其冒頂高度。軟弱巖層下的堅硬層不足以抵抗頂板中塑性區(qū)域的發(fā)展，巷道軟弱巖層的壓力和變形破壞了巖層支護，由此得出巷道冒頂與軟弱巖層下方巖層關(guān)系不大，軟弱巖層上方巖層出現(xiàn)塑性變形后會增加巷道冒頂事故的幾率。

司馬煤礦開采過程中受到強烈的礦壓作用，頂板及兩幫變形量大，錨護有過破壞現(xiàn)象，周圍巖石的劇烈破損及支護破壞使得深處巖層控制更加困難。由以上分析，巷道頂板巖層破壞坍塌的發(fā)生是軟弱巖層引起，破壞后的軟弱巖層膨脹和變形效應(yīng)增強，引起堅硬層的破壞，巨大的變形壓力加劇了塑性區(qū)域的膨脹和變形，頂板由此出現(xiàn)冒落，最易引發(fā)冒頂事故的區(qū)域位于軟弱巖層的塑性區(qū)域上邊界位置，層狀頂板冒頂原理如圖2所示。

圖2 層狀巷道冒頂原理

2 巷道冒頂?shù)挠绊懸蛩胤治?/h2>

引起上方巷道巖層破損或坍塌事故的因素眾多，包括強烈的圍巖壓力、巖層的結(jié)構(gòu)強度、巷道形狀大小及巷道的支撐情況。圍巖壓力、圍巖結(jié)構(gòu)和支撐是決定圍巖穩(wěn)定的主要因素，本文將圍繞這些因素進行分析，研究其對上方巖層垮落的影響情況。

2.1 塑性區(qū)域范圍

圍巖變形的本質(zhì)是圍巖塑性區(qū)域的產(chǎn)生和擴散，塑性影響區(qū)域范圍越大，則圍巖變形情況越劇烈，發(fā)生破壞坍塌的概率也越大，巷道深度和形狀影響著塑性區(qū)域的范圍，圍巖強度大也會加劇塑性區(qū)域的影響。

2.2 頂板巖層結(jié)構(gòu)

冒頂事故發(fā)生的原因是塑性區(qū)域的擴展，巷道圍巖應(yīng)力較小時可將堅硬層當(dāng)作錨桿的基點，高圍巖應(yīng)力的巷道則會使上方塑性區(qū)域增大。堅硬層位于軟弱層上方時，塑性區(qū)域穿越堅硬層后繼續(xù)分布于軟弱巖層，強烈的膨脹壓力和變形作用導(dǎo)致堅硬層出現(xiàn)破損或垮落，增大了頂板冒落的危險。潛在冒頂高度是由塑性區(qū)域的軟弱巖層位置決定的，支護時要將錨桿固定在冒頂高度臨界之外，采用多層支護圍巖。上方巖層垮落是由于頂部存在塑性區(qū)域，巖層、巷道尺寸和支護相同情況下，塑性區(qū)域越大，上方巖層坍塌情況相對弱巖石變形更高，塑性區(qū)域中弱巖石位置決定了頂峰的風(fēng)險高度。

3 巷道冒頂控制方法

由于巷道巖層坍塌是巖層塑性變形導(dǎo)致的，破壞程度由塑性區(qū)域面積決定。對圍巖塑性區(qū)域施加控制手段可以改變圍巖穩(wěn)定性，當(dāng)圍巖支撐情況難以改變圍巖塑性區(qū)域，原巖應(yīng)力和其他應(yīng)力影響著塑性區(qū)域的范圍，通過控制裂縫降低圍巖的劇烈擴張。

控制巷道冒頂?shù)闹饕椒ㄊ菓业跛苄詤^(qū)域破損的巖石，避免圍巖降落?？赏ㄟ^以下方法實現(xiàn)：（1）增加錨桿長度，使其超過塑性區(qū)域上方邊界，從而塑性區(qū)域破壞后的巖石不會出現(xiàn)坍塌情況，限制了彈性區(qū)域內(nèi)巖層變形，使得彈性區(qū)和塑性區(qū)臨界面的主應(yīng)力控制在一定范圍，限制了裂隙的形成發(fā)展；（2）增大錨桿的變形水平，使其更好延展，持續(xù)的支護變形的圍巖；（3）頂板淺層錨桿布局應(yīng)增加密集程度，以防圍巖破碎后的墜落和漏頂現(xiàn)象。

司馬礦1208工作面巷道頂板錨桿長度計算：

錨桿長度：L=L1+b+L3=1.793m

式中：

L1-錨桿外露長度，100 mm；

L3-端錨固長度，930 mm；

b-潛在冒落拱高度，763 mm。

L取2 m長符合要求，因此錨桿長度應(yīng)高于隱患的軟弱巖層上方邊界處2 m，距離頂板較近軟弱巖層的錨桿可適當(dāng)縮短，距離較遠的軟弱巖層可適當(dāng)增加錨桿長度。端部錨固的錨桿自由端長度應(yīng)高于軟弱巖層上邊界。對于頂板破碎大的淺部巖層應(yīng)增大錨桿密度，塑性區(qū)域頂部巖層采用小型錨桿，保證錨桿密度，巷道頂板冒頂控制原理如圖3所示。

圖3 頂板冒頂控制原理

在1303巷道頂板支護中運用該頂板控制方法，現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，該設(shè)計能有效控制巷道頂板變形，并得出以下結(jié)論：一次采動后最終巷道頂板下沉量130.8mm，二次回采期間頂板下沉量為62.6mm，變形在生產(chǎn)要求允許范圍之內(nèi)，滿足了現(xiàn)場要求。

4 結(jié)論

針對巷道冒頂事故頻發(fā)的問題，研究分析了巷道冒頂發(fā)生的機理，得出冒頂是由塑性區(qū)域穿過堅硬巖層后在軟弱巖層分布造成堅硬層受到巨大壓力和變形引起，塑性區(qū)域存在是損壞巷道的根本因素，冒頂高度是由塑性區(qū)域的弱巖石位置決定。針對現(xiàn)有支護存在問題，提出了相應(yīng)的控制冒頂?shù)闹ёo方法，并通過改變材料性質(zhì)改善變形適應(yīng)性，改變支護布局限制塑性區(qū)域擴展，防止冒頂事故發(fā)生。