1、专题部分回采巷道复合顶板破坏机理与支护技术摘要：随着开采深度的增加，顶板条件渐渐由坚硬顶板向复合型顶板变化，以往在坚硬顶板条件下采用的单纯锚栓支护方式已显得不适应，曾发生过多起冒顶事故，安全生产没有保证。为此，本文分析复合顶板下的回采巷道围岩的应力分布状态，变形特征；研究复合顶板在各种锚杆支护方案下的变形、破坏机理；分析复合顶板回采巷道的锚杆支护机理以及合理的控制技术与措施。关键词：复合顶板；联合支护；高预紧（应）力锚杆1 引言我国国有大中型煤矿煤层巷道应用越来越多，回采巷道布置在煤系岩层中，受力情况较复杂，受采动影响较大，是煤矿巷道围岩控制的难点，当围岩强度及其稳定性较差时，部分回采巷道会发
2、生大范围的支护失效和顶板冒落现象，不仅给井下作业人员人身安全带来威胁，而且导致矿上企业巨大的经济损失。复合顶板巷道在煤矿中有广泛的分布，复合顶板的支护是国内外巷道支护的难题之一。由于煤系地层为层状沉积岩层，因而复合顶板是一种较常见的岩层赋存形态。复合顶板极软煤层巷道围岩为差异性很大的非均质层状赋存，在围岩应力作用下表现为顶板极易离层、冒落，难以形成承载结构，强烈的两帮移近、片帮及整体下沉，导致复合顶板下沉而离层破坏，顶板、两帮变形相互作用，形成恶性循环。该类回采巷道采用传统支护方式如工字钢支架、U型钢可缩支架支护时不仅在掘进影响期间围岩变形剧烈，而且在掘后较长时间内难以趋于稳定、变形量大，在服
3、务期间需多次返修，巷道维护极为困难。随着采深的增加，这类巷道的维护问题将越来越突出，因此，寻求一种有效的支护方法具有重要的现实意义。在此，对回采巷道复合顶板破坏机理与支护技术的研究与探讨，为煤矿企业在复杂地质条件下的高产、高效安全生产起到了积极促进作用。2 复合顶板巷道变形破坏机理2.1 复合顶板的概念及特点所谓复合顶板，其实质就是离层型顶板。即煤层上面有总厚0.33m易与上部岩层离层的顶板。这种顶板岩层的岩性主要是页岩、砂质页岩和薄层细砂岩，同时往往夹有薄层煤层、炭质页岩、泥质岩、植物化石碎屑和镜煤条带等。复合顶板由下软上硬岩层构成。下部软岩层可能是一个整层，也可能是由几个岩层组成的岩层组。
4、这里的软岩层与硬岩层只是一个形象的说法，实际上是指：采动后下部岩层或因岩石强度低，或因分层薄，其挠度比上部岩层大，向下弯曲的多，而上、下部岩层间又没有多大的粘接力，因此下部岩层与上部岩层形成离层；从外表看，似乎下部岩层较软，上部岩层较硬。典型的复合顶板有“软”、“弱”、“薄”三个特点：1）煤层顶板由下软上硬的不同岩性的岩层所组成；2）软、硬岩层间夹有煤线或薄层软弱岩层，易离合，差异较大；3）下部软岩层的厚度一般较薄，通常情况下不小于0.5 m，且不大于3.0 m，冒落后不能充满采空区。除此之外，当伪顶厚度超过0.5 m时（超过0.5 m厚的随采随冒的软弱岩层不能叫伪顶），现场往往采用“托伪顶”
5、开采。在这种情况下，煤层的顶板就是复合顶板。应用留煤皮方法采煤时，如果煤皮厚度在0.53.0 m之间，而煤皮与顶板又易分离或煤层有伪顶，则采煤工作面也处在复合顶板之下。厚煤层应用倾斜分层下行垮落开采时，第二分层以及以下分层可能处在再生顶板之下。如果再生顶板的厚度在0.53.0 m，其上为较硬岩层或咬合住的断裂岩块，再生顶板与它又没有多大的粘接力，则在回采第二分层及以下分层时，该分层也处在再生的复合顶板之下。复合顶板下部岩层与上部岩层在力学特性方面的主要差别是他们之间的厚度（包括互层中的分层厚度）、变形模量、泊松比及内摩擦角、黏聚力等方面相差较大。2.2 复合顶板的岩性及结构复合顶板的一半特性是
6、下软上硬，容易发生离层。在软硬顶板之间存在有薄弱面和光滑面，软硬岩层之间的粘接力很小，极易分离。当采掘工作进行后，松软顶板的下沉与坚硬顶板的下沉不同步，因而两层见发生了离层，尤其在锚杆预应力很小时，离层现象更加突出，其巷道顶板岩层的层间离层如图1所示。如图1的情况是普遍常见的结构。还有一些特殊的形成状态，如冲刷造成的顶板由一种岩性，分成两种不同的岩性。两层的层理分明、中间夹有薄弱煤岩或光滑面，使非复合型顶板，变为复合型顶板。如图2所示。在实际生产工作中，因地质情况调查不清楚，而未能采区相应措施，出现大型的冒顶事故。在一些倾角较小，而水平断距又很大的各类断层的作用下，也会出现不同类型的复合型顶板
7、。如图3所示。此外，在近距离煤层群中，上一层煤的采厚由可采变为不可采，且该层的直接顶比较硬，下一层的顶板比较软，使得下层的顶板与上层煤层共同构成了复合型顶板。如图4所示。图1 巷道顶板岩层的层间离层图2 由非复合型顶板变为复合型顶板图3 由不同类型断层形成的复合型顶板图4 下煤层的顶板与煤层构成为复合型顶板2.3 复合型顶板的矿压显现特点巷道开挖后，岩层抗水平应力的截面减少，在水平应力作用下煤层沿水平层理面向巷道挤入，致使巷道帮顶受水平应力作用而破坏；围岩中节理构造面的存在对围岩的承载能力及其稳定性影响很大，尤其是节理面与最大主应力方向斜交时，岩体最容易沿节理弱面破坏而失稳；巷道开挖后，围岩受
8、力状态由三轴应力变为单轴压应力状态，由于岩石单轴抗压强度低，致使围岩产生塑性破坏或沿节理弱面破坏、随着锚固岩体的变形、离层和弯曲，巷道中部的锚杆始终受力，若锚杆的长度、刚性越大，会使之受力越大，锚杆受力即可达到强度极限而破坏，则岩层发生破坏。复合型顶板矿压显现特点可总结如下：1、顶板变形量大。由于复合顶板由松软岩层组成，岩层的弹性模量低，在长期的地层压力作用下，岩层内积聚了大量的弹性变形能。巷道开掘后，巷道表面围岩应力解除，岩层内积聚的弹性变形能释放，从而产生变形。岩层愈软，变形量愈大；地层压力愈大，变形量愈大。复合顶板的变形量可达200400mm。2、顶板变形时间长。巷道掘出后，巷道表层或浅
9、层的弹性变形能会迅速释放，表现为巷道开掘初期变形速度快。巷道围岩弹性变形能的释放，是由浅而深逐渐发展的，围岩的变形会由快变慢、长期发展，但不会像坚硬岩层巷道那样停止变形，围岩的变形范围会越来越大。岩层愈软，巷道变形延续的时间愈长，围岩变形的范围愈大。复合顶板的变形范围可达58m以上。3、顶板压力大。必须对顶板岩层内大量的弹性变形能的释放予以控制。过度的释放会导致顶板岩层的离层和破坏，而释放不足则会极大地增加顶板的支护压力。在不采取任何措施的情况下，锚索支护属于刚性支护。锚索支护系统的刚性系数大，只允许顶板有很小的变形。当顶板岩层内的弹性变形能得不到适当的释放，顶板压力会越来越大，直至锚索被破坏
10、。这种大变形的顶板矿压显现特性与锚索的支护特性显然不相协调。2.4 复合型顶板的变形破坏特征复合顶板具有双重力学属性，在外载作用下，随其自身状态不同呈现两种变形特征，即相对完整状态与类似散体软岩状态。2.4.1 相对完整状态的复合顶板变形移动规律所谓相对完整状态，是指煤层顶板的变形移动发生在顶板组成分层之间，而顶板岩层分层自身则保持完整的稳定状态。此时，顶板岩层是由层状岩体组成的复合顶板。层状岩体属于典型的横观各向同性体，分层层面是其主要弱面。层状岩体的分层层面属闭合节理，根据剪切试验，在顺层理方向剪切下，闭合节理表现有峰值和残值，即层状岩体的分层层面有一定的剪切强度，且在分层之间发生滑移错动
11、后，同样保持微小的残余强度。部分煤系岩层层面的力学参数见表1。表1 部分煤系岩层层面的力学参数层面两侧岩石切向刚度系数KS/MPa切向刚度系数Kn/MPa黏结系数C/MPa内摩擦角/()石灰岩与煤层24.59810.235煤层与页岩交互层14.75880.125页岩互层与砂岩14.75880.125此时顶板层状岩体的强度可表示为： = tanr+Cr （2-1）式中 Cr层面处的黏结系数； r层面处的内摩擦角。当顶板层状岩体在外载作用下，层面处的法向应力与层面的剪切应力满足式2-1时，顶板将沿分层层面发生剪切破坏，相邻的分层沿层面相对滑移。因此作为回采巷道顶板，在无支护条件下，其移动破坏可分为
12、一下几个阶段。1）沿层面的分层相对滑移阶段巷道开掘后，岩体内原有平衡状态被打破，巷道顶板最初以整体岩体承担上覆岩层的重力载荷。在原岩应力及掘巷集中应力的作用下，巷道顶板岩体发生变形，同时内力增加，当层面处的内应力、满足式2-1时，岩体发生剪切破坏，产生层间滑动，由于分层层间滑动，使层面的力学参数进一步减小，整体强度降低。层面滑动范围与掘巷前的应力场及开掘巷道的断面形状有关。当巷道跨度L与顶板分层厚度h之比较小时，即在分层厚度相对较大的情况下，只会在巷道两侧的顶板支撑区产生层间滑动，在岩体中表现为与层理近乎垂直的张开裂隙，如图5所示。当巷道跨度L与顶板分层厚度h之比较大时，即在分层厚度相对较小的
13、情况下，滑动区可能波及整个跨度内的直接顶板岩层，此时下位岩层在中心处与其上位岩层有脱开而离层的趋势。2）分层层间离层阶段顶板分层沿层面的相对滑动，将改变其自身的应力状态。若此时变形后的围岩体与上覆岩层形成的载荷仍不能取得力学平衡，则直接位于巷道上方岩层的变形将继续发展，纵向变形（下沉）增大。由于下位岩层的下沉速度大于上位岩层的下沉速度，变形发展到一定程度，即形成巷道顶板岩层的层间离层，离层范围及离层岩层数也逐渐增加。3）顶板岩层逐层弯曲折断阶段随着离层范围的增加，与上位岩层离层的岩层必须单独承担自身的全部重量。当岩层悬空跨度达到极限跨距，岩层内最大拉应力达到岩石的抗拉强度时，岩层将会发生弯曲张
14、拉破坏。断裂后的岩块若不能形成横向作用力下的铰接平衡，便从巷道顶板垮落下来。离层岩层的这一活动过程可以按均布载荷作用下的固定梁或简支梁变形破坏过程的分析加以说明。由于离层区域自下而上减小，则巷道顶板岩层各分层可能出现的悬空跨距也自下而上减小。当顶板下位岩层强度较低、分层厚度较小时，顶板岩层从裸露在外的第一层开始，向上逐层垮落，如图6所示。2.4.2 类似散体软岩状态的复合顶板变形移动规律煤层顶板整体性破坏后（如出现局部冒落），顶板破坏急剧发展呈现类似散体的破碎状态，其变形移动过程可分为如下几个阶段。1）水平移动并形成大量超薄子分层顶板冒落空间形成后，空间四周各分层岩层向冒落空间水平移动。各分层
15、岩层在水平移动过程中，其内部含超薄复合分层产生滑移错动，形成了数目众多、厚度极小（小于10 mm）的子分层，使薄层复合顶板下位分层成为具有工程意义的软岩。2）下位软岩持续水平移动冒落空间周围大范围的下位软岩，向冒落空间挤出与弯曲，形成较大的破碎变形压力。3）薄层子分层随着顶板分层水平移动，因其自身强度低而形成类似散体的破坏。图5 沿层面的滑动图6 巷道层状岩层顶板冒落形状2.4.3 无支护条件下巷道顶底板层状岩体垮落高度的估算根据A鲍里索夫的建议，开掘在层状岩层的巷道，在长期无支护情况下，其顶板岩层的垮落高度H为H=(L(0.04khk/nk)1/2)tan/2 （2-2）式中 压缩蠕变系数,取0.50.7； hk直接位于冒落空洞之上的第k层岩层分层厚度； k、k第k层岩层的顺层抗拉强度和岩石重力密度； 垮落梯形的边界腰线与层面间的夹角，参照软弱岩层的破断 角，其值可取6080； n承载能力安全系数，可取n=4。其中，可按下述步骤确定冒落空间上方裸露分层的层位k：
