深部复合顶板煤巷支护优化稳定控制研究

王宇涵,吴显廷,常文超

(中国矿业大学(北京),北京 100083)

我国的煤矿行业正处于向深部发展的阶段，复合顶板煤巷的数量和比例不断增加[1]，随之而来的是井下围岩压力的不断增大，增大的压力给矿井巷道支护的稳定性提出了更高的要求，原有的在浅部的支护方案已不适用于深部巷道，巷道的安全性和稳定性亟待解决。复合顶板作为井下巷道常见的顶板条件自然成为了专家学者的重点研究对象[2-5]。

复合顶板即离层性顶板，是一种在岩性和岩石的力学性等方面特殊组合的直接顶。复合顶板的岩层厚度大，不稳定因素大，其中包含了许多软弱岩层、煤层，甚至有的地方会出现厚度极薄的煤线。在巷道的挖掘和爆破工作中极易出现因为高应力的压迫而导致顶板出现断层和冒落。有关于复合顶板的研究很多：伍中建等[6]以江西曲江矿西大巷为例，设计出了“锚网+U29半圆钢架+围岩胶结注浆”联合支护，对于巷道支护优化起到了很好的支护效果，利用数值模拟；肖同强等[7]发现了深部高应力巷道的变形破坏机制和提出了相关巷道的支护方案，取得了较为理想的结果，巷道的稳定性得到了提高；余伟健等[8]针对高应力巷道变形机理问题，提出以“预应力桁架锚索”为主体的综合支护技术；张永青等[9]通过观测试验方法和数值模拟解释了分析巷道破坏机制和巷道破坏过程，提出了锚网梁+预应力桁架锚索梁的联合支护方式；何满潮等[10]对夹河矿2442工作面巷道进行地质条件的分析，使用数值模拟提出了锚网索耦合支护设计方案。

1 工程背景

王家岭煤矿11132巷道位于一盘区，处于太行山脉南段西侧，煤层厚度在3.94 m～5.33 m之间，平均厚度为4.58 m，煤层倾角在2°～6°，平均倾角为3°。巷道开采3号煤层，煤呈现出黑色或者灰黑色，硬度偏低，普遍硬度在3.0以下。煤层的顶板条件由两部分组成，如图1所示：直接顶和基本顶。其中直接顶是由粗粒砂岩，3号薄煤层和细粒砂岩组成，三者之间的联结力较低，容易出现顶板冒落的情况，直接顶的平均厚度为4 m，泥岩的平均厚度为1 m，3号煤层的平均厚度为1 m，细粒砂岩的平均厚度为2 m；基本顶是由粗粒砂岩组成，和细粒砂岩直接接触，平均厚度为5 m，复合顶板的平均高度在9 m。巷道的高度在3 m左右，宽度为4 m，是一个矩形断面。巷道的顶板条件复杂，相互之间的作用力小，在巷道的施工和使用过程，由于岩体本身软弱，自我承载能力较低而不能经受上覆岩层的压力，甚至最终会导致顶板岩层不断下沉、离层，甚至破坏。

2 巷道顶板支护变形特征

2.1 原巷道支护方案

巷道原支护由全锚杆和锚网组成，锚杆选用高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，如图2所示。

1)顶板支护为3根锚杆和锚网组成，3根锚杆为φ22 mm×2 200 mm型，间距1 000 mm，排距2 000 mm，位于巷道中间部位，每根锚杆采用1支MSK2335和1支MSZ2360锚固剂进行锚固，锚固长度不低于100 mm。锚固力不小于150 kN，锚网采用10号铁丝编织而成的金属菱形网护帮，网孔规格50 mm×50 mm。

2)帮部支护由锚杆和锚网组成，锚杆有8根，左帮、右帮分别锚固4根，类型为φ22 mm×2 200 mm，排距2 000 mm，其中处于帮部上方位置的2根锚杆与帮部的法线方向呈30°，其余6根锚杆与帮部垂直，锚固长度不低于100 mm，锚固力不小于150 kN，锚固剂、锚网和顶板所用材料相同。

3)底版支护由2根锚杆组成，锚杆类型为φ22 mm×4 300 mm型，与底板的法线方向的夹角为30°，锚固长度不低于100 mm。锚固力不小于250 kN，采用加长锚固，采用三支锚固剂，一支为快速锚固剂，型号MSK2335，两支为中速锚固剂，型号为MSZ2360。

2.2 原支护方案存在的问题

原支护方案中顶板锚杆长度较短，大部分处于泥岩和煤层中，小部分处于砂岩中，锚杆顶部未接触到粗粒砂岩，没能很好的把各岩层固定，岩层之间的联结力低。锚杆顶端处于细粒砂岩之中，容易发生偏移和滑动。导致了在巷道的使用中顶板下沉严重，有很大的安全隐患。

3 巷道顶板支护方案优化

由于原支护没有较好的考虑到复合顶板的影响，所以对巷道原支护的顶板加以优化。在巷道的顶板加设加长锚索，采用两种方案：在巷道的顶板增加2根加长锚索；在巷道的顶板增加4根加长锚索。锚索采用φ22 mm×6 300 mm型，与顶板垂直，间距为1 000 mm，排距为2 000 mm，锚固长度不低于100 mm。锚固力不小于250 kN，采用加长锚固，采用三支锚固剂，一支为快速锚固剂，型号MSK2335，两支为中速锚固剂，型号为MSZ2360。锚索的具体布置如图3所示。

4 巷道顶板数值模拟优化分析

4.1 巷道模型建立

根据巷道的实际情况，利用FLAC3D对巷道顶板变化进行分析，巷道模型的大小为44 m×40 m×40 m，巷道的土层分布从上到下依次是泥岩1、粗粒砂岩1号、3号薄煤层、细粒砂岩、粗粒砂岩2、灰岩、泥岩2。巷道高3 m，宽4 m，位于模型中部位置，巷道的直接顶为粗粒砂岩2、细粒砂岩、3号薄煤层，基本顶为粗粒砂岩1。采用摩尔—库仑准则，上部为应力边界条件，承受均布载荷，左、右边界x方向固定，前、后边界y方向固定，底边界z方向固定，如图4所示。

4.2 顶板优化模拟结果分析

根据顶板的垂直位移和垂直应力可以看出：

1)原支护条件状况下巷道顶板围岩应力释放，应力平衡被破坏，围岩已经失去稳定性，顶板承受的最大应力为25 MPa，顶板的最大下沉量已经达到了0.9 m之多，底板的底鼓量也达到了0.27 m，巷道变形严重，巷道的塑性区已经进入破坏阶段。2)增加了2根锚索的顶板，由应力图可以看出，顶板的最大应力与原支护有了下降，塑性区的破坏范围有了一定程度的减小，顶板的最大下沉量也降低到了0.63 m，底板的底鼓量也有了一定的降低，但是顶板的下沉量依然会影响巷道的正常使用，存在着安全隐患。3)增加了4根锚索的顶板，由图可知，巷道围岩的应力得到改善，顶板应力下降，巷道的顶板下沉量也只有0.22 m，巷道的支护效果较好，顶板下沉量也在可控的范围内，不会影响巷道的正常使用，所以巷道的优化采用增加4根锚索，如图5～图8所示。

5 应用效果分析

为了检验巷道的优化支护方案是否具有可行性。在赵庄矿11132巷道设置2个监测点对巷道顶板进行实时监测，2个监测点间隔80 m，每3 d检测一次，一共持续3个月。具体的数据如图9所示。

经过3个月的不间断检测，发现11132巷道在前1个月的顶板下沉量变化较大，变化速率也比较快，顶板下沉量在0.14 m～0.20 m之间，而在后2个月，巷道的位移变化速率逐渐减小，巷道的位移量趋于稳定，顶板下沉量在0.23 m～0.27 m之间。根据实际巷道检测与数值模拟结果进行对比，发现实际巷道顶板下沉量要略微大于模拟下沉量，两者的结果相差不大，说明新的支护方案是能够解决11132巷道顶板下沉的问题，支护的效果也明显。

6 结语

1)王家岭巷道原支护，由于没有较好的考虑到复合顶板的因素，顶板锚杆大部分处于直接顶中，没有较好的把直接顶和基本顶结合，导致了巷道顶板下沉严重的问题，巷道整体的支护效果差，严重影响巷道的使用和安全。

2)在原支护的基础上，对巷道顶板支护进行优化，分别架设了2根加长锚索和4根加长锚索，通过数值模拟和巷道实际检测可以得知，增加4根加长锚索能够解决顶板大幅度下沉的问题，在检测前期巷道顶板的下沉幅度略大，到检测后期下沉幅度减小，直至趋于稳定，巷道的顶板下沉量控制在0.23 m～0.27 m之间，说明支护效果好，支护方案能够采用于巷道。