矿井复合顶板应力分析及支护措施

刘跃辉

(阳泉煤业集团长沟煤矿有限责任公司，山西 晋中 032700)

1 概述

15115工作面第一切眼与第一停采线之间区段倾斜长度165m，走向长度290m。第一停采线与第二切眼之间区段倾斜长度165m，走向长度35m。第二切眼与第二停采线之间区段倾斜长度165m，走向长度822m。工作面顶底板岩性如表1所示。

表1 工作面顶底板岩性

如表1所示，15115工作面煤层的上覆岩层，从直接顶到老顶为软弱-坚硬性，在往上为软弱-坚硬性的相间复合结构。这种硬度交替变化的复合顶板结构极易在裂隙水和围岩应力的综合作用下发生软化，导致围岩的苏醒降低并整体失稳。从现场分析，工作面掘进期间巷道顶板普遍存在节理裂隙、软弱夹层，直接顶岩层多薄层分布，存在网包现象，在横川和切眼等巷道交叉、应力集中区域部分锚杆失效破断。因此非常有必要开展类似地质条件下应力数值模拟、锚索受力状态分析等研究，以提出合理方案，确保回采安全。

2 巷道受力状态分析

顺槽巷道变形以两帮移近变形为主，巷道两帮整体移近对顶板围岩产生“剪切”作用。巷道煤体强度低，两帮锚索锚固力较低，且初始张拉损失较大造成巷帮锚索初始预紧力施加较小；巷道两帮整体移近的同时，势必会给巷道顶板岩层顶板岩层产生“剪切力”，造成顶板岩层之间相互错动，顶板岩层相互错动出现压力释放区，使顶帮围岩整体完整性遭到破坏，顶板整体完整性内部受损，顶板支护强度不足以维持巷道顶板的完整性，最终出现巷道顶板逐步破坏。

顶板复合岩层分层明显，且相互错动，是造成锚索破断的主要原因。顶板岩层受巷道两帮整体移近影响相互错动形成水平剪应力，水平剪应力在巷道顶板集中，对顶板维护产生严重不利影响。在水平剪应力的作用下，顶板岩层产生水平错动的趋势，而弱胶结的层状岩体在较大水平应力作用下会发生层间错动，形成横向裂隙和层间离层，加剧了岩体的分层和破碎，加之剧烈的采动影响，岩体破碎程度会加剧，如图1所示。

锚索破断造成顶板在弱支护情况下围岩短时间出现大变形，导致顶板变形下沉量增大。顶板锚索破断主要是以剪切破断为主，当前矿压监测方案不能及时监测锚索破断，无法对破断锚索处及时进行补打，巷道支护强度低，造成巷道顶板在支护强度不足处变形破坏严重。在地质生产条件变化尤其当顶板存在节理裂隙的复合岩层时，需及时调整锚杆锚索排距至1000～1100mm以保证预应力连续有效扩散，巷道条件复杂时采用顶板全锚索支护以加强有效控制深度。

图1 复合层状岩体相互错动锚索破坏示意图

3 含节理顶板数值模拟分析

根据15115工作面地质力学参数，模拟中等围岩结构条件下的埋深煤层开采，设置水平层理条件下顶板不同裂隙面宽度(裂隙宽度10mm、50mm、100mm及锚杆锚固范围外四种情况)，预应力300N·m条件下，从巷道表面位移大小、围岩受力状态以及巷道围岩应力场分布特征的方面来分析复合顶板对锚杆锚索支护的影响。对其垂直应力、水平应力进行模拟。

顶板不同裂隙尺度下巷道变形量，如表2所示。从应力场分布及变形数据来看，由于裂隙的作用，在巷道顶板和裂隙表面形成了较大范围的拉应力区，锚杆锚固范围内存在裂隙或裂缝条件下，裂隙宽度为10mm时，最大垂直应力为12.38MPa，最大水平应力为16.08MPa；裂缝宽度为50mm时，最大垂直应力为12.57MPa，最大水平应力为16.22MPa；裂缝宽度为100mm时，最大垂直应力为12.79MPa，最大水平应力为16.31MPa。锚杆锚固范围外，锚索锚固范围内存在裂缝条件下，裂缝宽度为100mm时，最大垂直应力为12.26MPa，最大水平应力为16.64Mpa。

表2 不同裂隙尺度下巷道变形量

预应力为300N·m时，从位移场分布来看，由于裂隙的作用，锚杆锚固范围内存在裂隙或裂缝条件下，裂隙宽度为10mm时，顶板最大下沉量为44.6mm，最大底鼓量为33.3mm，两帮最大移近量为91.6mm；裂缝宽度为50mm时，顶板最大下沉量为49.1mm，最大底鼓量为33.1mm，两帮最大移近量为94.4mm；裂缝宽度为100mm时，顶板最大下沉量为53.5mm，最大底鼓量为32.8mm，两帮最大移近量为96.7mm。锚杆锚固范围外，锚索锚固范围内存在裂缝条件下，裂缝宽度为100mm时，顶板最大下沉量为42.3mm，最大底鼓量为33.4mm，两帮最大移近量为90.5mm。

当巷道顶板存在软弱结构面或裂隙时，巷道围岩应力场和位移场将发生显著变化，由于裂隙处无法进行应力的传递，从而对应力场和位移场分布形态产生很大影响。从不同裂隙分布情况及宽度围岩应力场和位移场分布可以看出，裂隙越宽，巷道应力集中程度约高，围岩变形越剧烈；裂隙距离巷道表面越远，对巷道变形的影响程度越小。因此需要对锚杆锚索排距进行合理调整，以满足顶板岩层内高预应力连续扩散要求。

4 支护措施

在以上数值模拟研究的基础上，针对含节理、软弱夹层的复合顶板条件提出以下支护措施：

1)当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围外时，锚杆支护作用仍可有效发挥，调小锚杆锚索排距至1000～1100mm。加强锚索锚固力及预紧力检测，不合格时及时采取补强措施。

2)当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围内时，且建议采用顶板全锚索支护，长度5300mm左右，排距1200mm，同时增加帮锚索数量至每排2根，进一步加强煤帮变形控制，依据现场锚固范围岩层结构特点适当调整。加大初始预应力强度，控制浅部围岩的错动膨胀变形。

5 结论

通过对15115工作面复合顶板条件进行巷道受力分析和不同宽度裂隙数值模拟，分析了应力场与围岩变形变化特征，提出合理的支护对策：当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围外时调小锚杆锚索排距至1000～1100mm，当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围内时，建议采用顶板全锚索支护，长度5300mm左右，排距1200mm，同时增加帮锚索数量至每排2根，进一步加强煤帮变形控制，使巷道围岩保持了很好的完整性，提供的支护参数能满足生产和安全要求。