深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性分析
摘要：
在矿业生产作业活动中，有效的巷道支护可以平衡岩体应力，确保巷道顺利开掘，保证生产安全。在研究深井巷道顶板锚固体的稳定性前，首先结合深井巷道围岩固体变形破坏特征，分析出巷道顶板锚固体的失稳原理，从而建立巷道顶板不同破坏形态下的稳定性模型，进而得出深井巷道锚杆、锚索支护下顶板锚固体稳定性力学方程式，通过对锚固体稳定性的力学求解和数据分析，得出深井巷道锚杆、锚索耦合支护的合力参数。对矿业深井作业安全施工和生产提供了宝贵理论依据，并将研究参数用于不同成分岩层，所积累研究数据将为我国矿业发展起到巨大的促进左右。
关键词：深井巷道，顶板锚固体，锚杆，锚索，稳定性
引言：
随着经济迅速发展，以煤炭为主的化石能源开采量不断增加，我国蕴藏着丰富的煤炭资源，随着近几十年的大规模开采，浅部煤炭资源已经濒临枯竭，煤炭开采业逐渐向内部延伸，国内许多矿井的开采和拓伸甚至超过千米，一般认为当开采深度达到700~1000米时即可称为深部开发。开采深度的增加势必使地质更加复杂、破坏岩体增多、地应力增大、水头压力和泉涌量加大、地温升高，深井巷道顶板缺乏稳定性，支护难度加大，伴随而来的是生产成本的急剧增加，对深井作业提出一系列严峻挑战，对锚固体的破坏程度也更加严重可不可预知，深井巷道锚固体的破坏程度直接影响作业稳定性。近年来针对深部高应力巷道破坏的原因、锚杆、锚索支护理论和技术已取得中大突破。当前巷道支护方式中，锚杆、锚索联合支护是深井巷道的主要支护方式，但限于对深井高应力复杂岩层环境和联合支护理论研究的局限性，此技术在实际应用中还存在安全隐患和资金浪费等问题。本文通过详细的数据，对深井巷道顶板岩层变形破坏特征及顶板锚固体失稳机理进行分析，并在此基础上建立巷道锚杆、锚索支护顶板锚固体的稳定力学模型，对深井巷道顶板锚固体的破坏和稳定性研究起到一定参考意义。
一、巷道顶板支护重要性：
（一）巷道顶板事故：
当巷道围岩应力增大而围岩本身有比较脆弱或出现破碎，巷道顶板的支护支撑力和缩进量不足时，应力加强的围岩就会损坏顶板支护锚固体，形成巷道冒顶最终导致巷道顶板事故。掘进破岩后，顶部存在着即将与岩体失去联系的岩块，倘若支护不及时，岩块就可能因与岩体断开联系而冒落；有时虽然已支护，但当支护失效或支撑力不足时就会冒落造成事故；在断层、褶曲等地质构造破坏地带，掘进巷道时顶板浮石突然冒落，在层理裂隙发育的岩层中掘进巷道时，顶板的突然冒落等都属于前者；因为放炮不慎崩倒附近支架而导致的冒顶，或因为接顶不严实而导致岩块砸坏支架的冒顶等则属于后者。另外，前者也可能同时引起后者的发生。巷道顶板事故的发生将严重危害作业人员人身安全，影响矿井施工进度，致使之前做的努力工作付诸东流。
顶板事故现场（图1）
（二）巷道顶板事故种类划分：
按照围岩结构及冒落特征可将巷道顶板事故分为如下几类：
1、镶嵌型围岩冒落事故
2、离层型围岩片帮冒顶事故
3、松散破碎围岩漏冒事故
4、块状围岩断裂冒顶事故
5、软岩膨胀变形毁巷事故
在上述几类巷道顶板事故中，镶嵌型围岩冒落事故要占到一半以上，其他事故中则以离层型围岩片帮冒顶事故和松散破碎围岩漏冒事故居多。
（三）巷道顶板事故主要原因分析：
1、镶嵌型围岩冒落事故原因：
（1）开始施工前或放炮后在无支护的空顶区的敲帮问顶制度未能良好执行，危矸活岩处理不当，对隐性镶嵌型顶板未及时采取措施；
（2）空顶面积和距离超过安全作业标准，裂隙发育未采取有效措施
（3）在放炮工作面尤其是大断面巷道或交叉口，炮眼布置不合理或装药过大，破坏支架；
（4）采掘工作面断面过大进度过快，空顶面积迅速增大加之空顶时间过长，压力重新分布，镶嵌围岩失稳坠落；
2、松散破碎围岩漏冒事故：
（1）空顶面积过大，破碎围岩裸露时间过长造成漏顶；
（2）迎头支护区支架冒落造成空帮空顶
（3）巷道穿过老巷道或松软煤层及巷道维修收尾支架区，未采取及时有限的措施
（4）巷道交叉点及贯通点上，由于巷道支撑压力重叠，支架架设不合格或长期失修；
3、离层型围岩片帮冒顶事故：
（1）工作面出现离层、断裂后向下方的空间滑移；
（2）巷道淋水、放炮震动等因素导致围岩风华剥落；
（3）空顶面积大且无支护，拱形金属支架扭矩小支撑力不足；
4、综合原因分析：
（1）作业环境不安全。客观存在的地质构造带、冲击地压、矿井水、瓦斯等因素造成巷道环境不安全；
（2）管理疏忽。没有严格按照作业规程施工；
（3）设备和人员不安全状态和行为；
（四）巷道顶板事故的预防：
防治巷道顶板事故，首先应在巷道开掘前避开高应力区域或软弱破碎的岩层，如果实在
避不开就要在支护锚固体的支撑上下功夫，使其适应岩层环境。对于在不理想预期开掘的巷道，支架之间还应用背板本背严。具体可参考如下措施：
1、根据岩层情况确定合理的控顶距，如有破碎带或裂隙发育时及时跟进掘进支护；
2、严格执行敲帮问制度，危石必须彻底清理，无法清理应严禁空顶作业；
3、破碎岩层带掘进巷道应缩小支护棚距，防止垮塌；
4、对破碎岩层带可超前注浆固化处理
5、作业区有空顶区或破碎岩层带必须防止漏空；
6、炮眼密度及炸药量必须符合岩层性质；
7、锚固体支护注意眼深和锚杆密度；
二、巷道顶板锚固体破坏特征：
深井巷道周边高应力作用是巷道围岩形成破碎区域，减弱承载能力，如对锚固体支护参数选取不当，顶板锚固体将因变形而失稳。顶板锚固体的破坏特征如下：
（一）顶板锚固体沿顶板层面裂隙张开，锚固体局部掉块逐渐增加，锚杆支护失去效力，锚固体内部产生离层局部冒落；随着顶板压力持续作用，巷道顶板锚固体向上发展，承载力进一步降低，锚杆被拉断或滑脱。
顶板锚固体滑脱（图2）
