不同夹矸厚度沿空煤巷复合顶板支护设计与分析

杨继强 姜 宁 向喜伟

(山东科技大学，山东省青岛市，266590)

在我国北方大多数煤矿中，复合顶板结构一般由较薄的软、硬岩层堆叠构成，使得各岩层的强度值和刚度值都不相等，且层间的黏聚力较小，因此普通锚杆已经达不到原有的锚固效果，起到的承载作用有限，进而造成冒顶事故发生。

大安山煤矿+400 m水平轴10上槽煤层和10下槽煤层变化较大，且间距较小，其中部分地段两煤层合为一层，使得+400 m水平轴10槽不同煤层、不同地段的煤层巷道支护条件差异较大。当布置+400 m水平轴10槽工作面巷道时，采用原计划留设5 m保护煤柱，且使用锚索、锚网联合支护工作面巷道。随着工作面推进，巷道变形较为严重，锚杆、锚索破断严重，其中10下槽煤层工作面为不稳定顶板重点破坏区域，主要原因是复合顶板破碎和离层现象导致锚杆失效，如图1和图2所示。

图1 顶板破碎引起的锚杆失效

图2 顶板离层引起的锚杆失效

1 工程地质概况

试验煤层为大安山煤矿+400 m水平轴10下槽煤层，主要以中等厚度煤层为主，此煤层为向斜肘部构造，工作面煤层和岩层倾向大约为343°～360°，走向约为73°～90°，倾角处于11°～28°之间。其中10下槽煤层厚度0.38～3.20 m，平均厚度1.58 m，煤层中等硬度，是该采区的主要开采煤层，同时也是组成回采巷道两帮的主要岩层。10上槽煤层厚度0.19～3.42 m，平均厚度1.25 m，是预开采煤层区域，其中工作面和回采巷道工作面复合顶板煤层为软弱夹层；煤层顶板岩性见表1。

表1 煤层顶底板岩性

2 试验巷道工作面复合顶板的破坏分析

试验工作面煤层厚度1.55 m，两煤层含夹矸，夹矸厚度分别为0.1 m和0.2 m。工作面开采后煤层受采动影响严重，在水平、垂直、斜交方向均出现明显裂隙裂隙，此时煤层呈颗粒状。尤其是钻孔中煤层塌孔现象较为严重，煤层中出现较大的离层现象，煤层中的夹矸出现一些水平裂隙，但总体保持了较好的完整性，在煤层与岩层的交界处，煤层破坏严重，且出现了塌孔。据此判断造成沿空煤巷复合顶板破坏的主要因素是煤岩层中不同力学性质煤、岩体分层结构。煤岩互层与单一岩层结构对巷道的围岩应力、塑性区以及位移量的影响使得复合顶板关键层稳定性对复合顶板的失稳起着关键作用。通过现场监测发现，影响关键层稳定性的主要因素是直接顶夹矸的厚度。因此本文针对直接顶中不同夹矸厚度对复合顶板关键层稳定性的影响进行了研究。

3 沿空煤巷不同夹矸厚度复合顶板数值模拟分析

3.1 复合顶板沿空煤巷数值模拟建立

拟针对倾斜方向(倾角19°)合层和分层各建立模型，模型自上而下包括了10槽上、下两个煤层，模型尺寸为240 m×160 m，模型最上端为自由端，上边界施加垂直压应力10.2 MPa。其边界位移的条件为：在左边和右边边界以及前边和后边边界上施加水平方向的边界约束，这些边界的水平位移趋于零；模型的底部施加约束，使得边界的水平位移和垂直位移都趋于零；模型顶部为自由边界，主要受自重应力变化。经煤矿实地取样后在实验室对岩性做了试验，得到煤矿的煤岩层具体力学数据，如表2所示。

表2 模型煤岩体力学参数

3.2 不同夹矸厚度沿空复合顶板受动压影响的垂直位移变化

不同夹矸厚度下复合顶板的垂直位移分布如图3所示。由图3可以看出，复合顶板受到采动影响后，在沿空留巷过程中，无论夹矸厚度多大，工作面巷道顶板均出现不同程度的垮落现象，其中位移偏移量的范围随夹矸厚度的增加先减小后增大，而且煤柱受顶板垮落的影响，发生向煤巷偏移的情况，说明复合顶板含有软弱夹层的情况下巷道易破坏。

3.3 不同夹矸厚度沿空复合顶板受动压影响的塑性区的变化

不同夹矸厚度下复合顶板的塑性区分布如图4所示。

图4 不同夹矸厚度下复合顶板的塑性区分布

由图4可以看出，沿空煤巷复合顶板夹矸厚度分别为0.5 m、0.75 m、1 m和1.5 m时，顶板将受到回采的影响，在沿空留巷过程中，巷道的煤帮一侧和煤柱处产生一定塑性区，分层结构的塑性区范围明显比合层大，说明复合顶板的夹矸厚度对煤巷围岩塑性区有一定的影响，塑性区随着复合顶板的分层而扩大。

综合以上分析可得，夹矸厚度影响工作面下区段的应力分布，呈现出应力集中系数随着夹矸厚度的增大先减小后增大的趋势，并且煤巷围岩塑性区的变化趋势和垂直应力集中系数的变化相似，以复合顶板夹矸厚度1 m为一个分界点，夹矸厚度对复合顶板总的影响趋势表现为沿空煤巷煤体一侧的应力区、塑性区范围以及巷道顶板的位移随夹矸厚度增加而出现先减小后增大的现象。

4 针对夹矸厚度影响沿空煤巷复合顶板影响下的支护设计方案

为了防止复合顶板因夹矸厚度影响因素发生冒落、离层等现象的再次发生，针对夹矸厚度不相同的顶板进行模拟分析，初步确定了3种不同复合顶板煤巷的顶板支护方式：方案1，顶板全锚索支护；方案2，锚杆配合等长锚索支护；方案3，锚杆配合梯次锚索立体支护。整个回采过程中，在沿空煤巷复合顶板相同开采水平和相同煤柱宽度的条件下，分析出3种不同支护方案下的复合顶板沿空煤巷应力分布及形变特征。

4.1 方案1

不同夹矸厚度沿空煤巷复合顶板全锚杆支护下垂直应力和垂直位移变化曲线分别如图5和图6所示。由图5可以看出，采用全锚杆支护后，煤巷采空区一侧2.5～4.5 m左右区域出现的应力最大值分别为31.61 MPa、28.89 MPa、23.94 MPa、22.55 MPa和28.59 MPa；在煤巷煤帮一侧5～8 m左右区域垂直应力达到又一个峰值，分别为22.85 MPa、20.27 MPa、19.13 MPa、19.25 MPa和21.76 MPa。到达峰值后，应力逐渐降低，最后逐渐趋于平稳。由图6可知，在煤巷采空区侧7～10 m范围，顶板垂直位移增加较快，说明煤层复合顶板受垂直应力的作用后，离层在此处有发展的趋势；夹矸厚度为0.75 m时垂直位移下沉量较其他情况大，说明这种全锚杆支护方式适合夹矸厚度稳定的顶板，而不太适于分层厚度变化的复合顶板。

图5 复合顶板全锚杆支护下垂直应力变化

图6 复合顶板全锚杆支护下垂直位移变化

4.2 方案2

不同夹矸厚度沿空煤巷复合顶板锚杆加短锚索支护下垂直应力和垂直位移变化曲线分别如图7和图8所示。

图7 复合顶板锚杆加短锚索支护下垂直应力变化

由图7可以看出，采用锚杆配合等长锚索的支护后，在煤巷采空区侧4～5 m左右出现的垂直应力峰值分别为30.83 MPa、23.43 MPa、24.17 MPa、22.98 MPa和25.48 MPa，在煤巷煤帮一侧6～8 m左右区域垂直应力达到又一个峰值，分别为22.76 MPa、20.13 MPa、19.71 MPa、18.45 MPa和9.38 MPa。到达峰值后，应力逐渐降低，最后逐渐趋于平稳。

图8 复合顶板锚杆加短锚索支护下垂直位移变化

由图8可知，在煤巷的采空区一侧7～11 m范围，顶板垂直位移变化较快，和方案1区别不大，位移变化趋势和仅仅进行锚杆支护相同，但垂直位移增长较快的位置向采空区稍偏移，说明这种支护方式较适合分层变化较大的复合顶板支护。

4.3 方案3

不同夹矸厚度沿空煤巷复合顶板梯次锚索支护下垂直应力和垂直位移变化曲线分别如图9和图10所示。

图9 复合顶板梯次锚索支护下垂直应力变化

图10 复合顶板梯次锚索支护下垂直位移走势曲线

由图9可以看出，采用梯次锚索支护后，在煤巷采空区侧4～5 m左右出现的垂直应力峰值分别为30.32 MPa、32.29 MPa、25.50 MPa、23.14 MPa和26.27 MPa。在煤巷煤帮一侧5～7 m左右区域垂直应力达到又一个峰值，分别为22.76 MPa、20.13MPa、19.79MPa、18.56MPa和22.16 MPa。到达峰值后，垂直应力逐步降低，最终会达到一个平稳值。由图10可知，在煤巷采空区侧6～11 m时，顶板垂直位移增加较快；在沿空煤巷中心顶板中部的位移分别达到388 mm、363.5 mm、372.4 mm、372.1 mm和317.9 mm，说明这种支护下顶板下沉趋势和上述两种情况的相似，但对夹矸厚度稳定的顶板支护效果更好，对于分层变化较大的复合顶板则不适用。

5 3种方案比较分析

经过对不同支护方式模型的模拟情况分析，发现3种支护方式下，夹矸厚度不相同的复合顶板的应力和位移分布走势大体相似，说明无论采取哪一种支护方式，它们都对夹矸厚度不相同的复合顶板起到控制顶板应力和降低顶板下沉的作用。整理数据后，得出沿空煤巷上帮和下帮处最大垂直应力以及沿空煤巷上部顶板垂直位移的分布曲线，通过比较，分析出3种支护方案的优缺点，说明不同支护方式对沿空煤巷的支护作用存在差别。

5.1 复合顶板沿空煤巷上帮最大垂直应力分布

不同夹矸厚度煤巷上帮最大垂直作用力的分布曲线如图11所示。由图11可以看出，方案2和方案3对于夹矸厚度大于1 m的复合顶板支护效果较好，可以有效降低上帮的应力值，从而可以控制煤柱向巷道偏移，而方案1对夹矸厚度大于1 m的复合顶板支护效果较差；对于夹矸厚度小于1 m的复合顶板支护，采用方案2比其他两种方案更能减小沿空煤巷上帮的垂直应力。

图11 不同夹矸厚度煤巷上帮最大垂直应力变化

5.2 复合顶板沿空煤巷下帮最大垂直应力分布

不同夹矸厚度煤巷下帮最大垂直作用力分布曲线如图12所示。由图12可以看出，当复合顶板为薄夹矸时，三者的效果区别不大，但当顶板夹矸厚度大于1 m后，采用方案2比其他两种方案更能减小沿空煤巷上帮的垂直应力，有利于长期留巷。

图12 不同夹矸厚度煤巷下帮最大垂直应力变化

5.3 复合顶板沿空煤巷顶板最大下沉量分布

不同夹矸厚度沿空煤巷上部区域处最大下沉量分布如图13所示。由图13可以看出，采用方案3比其他两种方案的垂直位移偏移量小，说明锚索支护可以有效降低沿空煤巷的顶板下沉量，在设计复合顶板沿空煤巷的支护形式时，可选用锚索网支护形式。

图13 不同夹矸厚度煤巷内部顶板最大下沉量变化

根据数值模拟结果和经济性原则，方案2无论在控制上下帮应力还是在控制顶板下沉方面都起到了很好的作用，相比较其他两种方案更有优势，因此在实践中应采用锚杆加等长锚索支护复合顶板沿空煤巷的顶板设计。

6 结论

通过模拟不同夹矸厚度下复合顶板沿空煤巷受采动的影响，得出夹矸厚度对工作面应力分布的影响规律。采用数值模拟方法，并结合试验工作面实测数据确定了采用锚杆配合等长锚索支护方式，保证直接顶可以经受掘进过程、回采过程和顶板来压的扰动影响，保持了较好的稳定性，防止松动和碎胀现象再次发生。

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