摘要：针对目前巷道结构存在的缺陷，研究了设计出的巷道顶板“拱-梁”型支护结构，采用数值模拟分析的方法对计算数据进行采集。试验结果显示：“拱-梁”型支护结构能够更好地对矿井巷道的变形进行控制，对于巷道顶板的支护效果更好，为煤矿行业研发新的矿井支护设备提供了依据。
关键词：煤矿巷道顶板“拱-梁”支护结构
引言
在煤炭行业不断的发展过程中，安全生产问题始终是行业发展的首要问题，由于矿井内有许多不可控安全因素，要求煤矿行业技术人员将各种安全细节均要考虑在内。煤矿行业想要高质量的发展，必须避免安全生产事故的发生，同时这也是实现上下游产业快速发展的根本。由于煤矿地层大多数为层状沉积岩，在受到地质构造作用的情况下，容易发生弯曲折断。在煤矿开采过程中，受到该类地层的作用影响，需要对矿井巷道顶板加强支护作用，防止顶部受到地质作用后发生折断。目前常用的顶板支护结构为锚索-锚杆结构，通过现场实际工况观察，该类支护结构存在一定的缺陷。因此，研究根据现场矿井顶板受力状况以及工作面两帮变形情况而设计的“拱-梁”型支护结构。该结构不仅能够对巷道顶板产生良好的支护作用，也可以减小矿井工作面两帮的水平位移，有助于提高矿井工作面支护工作性能。“拱-梁”型支护结构能够应用于大多数矿井工作面顶板结构支护的现场，支护效果良好[1-2]。
1煤矿巷道顶板变形破坏类型
矿井巷道变形所受到的破坏主要来自于周围围岩结构的破坏，针对不同的巷道力学特性影响，所形成的巷道变形破坏对顶板所造成的破坏机理也大为不同。据查阅相关资料可知，顶板变形破坏可以分为四类：挠曲变形分层破坏、剪切破坏、拉断破坏、挤压流动破坏。以下对四种破坏类型进行分析[3-4]。
1.1挠曲变形分层破坏。该类型的顶板破坏机理主要是由于顶板之间层状岩石结构的黏结力较弱，几乎可以认为两个形状之间地质结构为简单的叠合状态，通过将该类型巷道顶板简化为简支梁结构进行力学分析，可知整体结构梁中间的挠度值最大。岩层在变形的时候主要与岩石结构的弹性模量和厚度有关，导致了垂直方向岩层上具有不同的挠度，从而出现离层现象。破坏机理的结构示意图如图1所示。
1.2剪切破坏。剪切破坏的结构易于理解，该类型的破坏形式可以分成两种情况进行讨论。第一种情况为在水平方向产生应力作用后，软弱地质层就会发生剪切破坏；第二种情况是巷道局部产生了应力集中现象，当剪切应力大于岩石的抗剪强度时，就会形成相互错动的作用面，从而产生剪切破坏作用[5-6]。
1.3拉断破坏。由于岩石的特殊属性造就了岩石容易发生拉断破坏，从力学角度分析，岩石的抗拉强度相比于抗压和抗剪强度是最低的，在地质外部作用力的情况下，就会使岩石产生拉断效应，从而造成矿井工作面顶板的拉断破坏，破坏机理示意图如图2所示。
1.4挤压流动破坏。工作面顶板在受到水平和垂直两个方向的作用力后就会在顶底板产生拉应力，形成拉应力分布区后就会使巷道周围产生细微的裂纹，在长时间作用力下就会产生裂隙。随着时间的发展就会使裂隙不断增长，形成了裂隙网。对于整个工作面的拉应力就会出现中间的拉应力大，而两边的拉应力小，造成了工作面四周围岩的挤压流动破坏。
2巷道顶板仿真模型的建立
2.1力学模型的建立。在对煤矿工作面进行开挖后，工作面巷道四周的围岩在受到开挖作用力后会形成应力重新分布状态，围岩在受到作用力扰动后的应力会逐步增大，最终增大到将整个岩体形成一个稳定的状态为止，但是各个岩石体之间没有形成相互之间的作用力，处于一种比较松散的状态。因此在开挖后应进行及时支护作业，不然巷道顶板就会发生比较大的变形，如果此时岩石体受到拉应力作用后就会在顶部形成一个拉应力边界线，此时边界线的应力交点将扩散至顶部的两角，如果将各个边界线进行连接就会形成拱曲线，也称自稳隐形拱曲线。巷道工作面顶板的“拱—梁”结构示意图如图3所示。
2.2仿真模型的建立。采用FLAC3D仿真软件对模型进行建立，建立起煤矿整体模型尺寸为5.5m×3.8m，扩大整体模型的建立范围，并将模型沿着工作面纵向设置2m的模型深度。按照实际工况条件设置边界条件，考虑整体模型为无反射边界条件，符合实际地质模型结构，建立起的仿真模型为理想材质，材料属性为各项同性材料。对模型的位移进行限制，主要限制为X方向和Z方向。对于模型的仿真本构模型为SOL-ID65，符合煤炭地质材料的仿真计算，具体模型示意图如图4所示。
3“拱-梁”结构支护效果
根据煤矿行业对于工作面支护方案的调研分析，为了验证“拱-梁”结构支护效果的优劣性，对比无支护、顶帮锚杆、锚索-锚杆支护在支护顶板方面的工作性能。对比分析四种不同的支护形式在巷道顶板及两帮的位移情况，如图5、图6所示。三种支护情况下巷道顶板最大沉降都发生在巷道顶板中心位置处，而三种不同支护情况下位移的大小也直接反映了巷道变形效果及其支护效果，可以看到巷道在无支护情况下顶板最大变形量为84.11mm，巷道在只进行顶帮锚杆支护情况下顶板最大变形量为58.89mm，而在进行锚索锚杆支护下顶板最大沉降量为12.51mm。因此相对巷道不进行支护，顶帮锚杆支护情况下最大变形量降低了26.44%，而锚索锚杆支护情况下，顶板位移降低了79.22%。当巷道进行顶帮锚杆支护后可明显看出巷道顶板的受拉塑性区明显减小，而采用全断面锚索锚杆支护后，巷道顶板的受拉塑性区和受剪塑性区都明显减小。通过软件的内部命令可以求得巷道开挖后的塑性区面积，结果发现：无支护情况下巷道围岩的塑性区面积为51.88m2，顶帮锚杆支护下巷道围岩的塑性区的面积为40.15m2，相比于无支护情况，塑性区面积减少了22.61%。而采用锚索锚杆支护后塑性区面积为21.674m2，相比于无支护情况，塑性区面积减少了58.22%，说明采用锚索+锚杆支护会对控制巷道变形破坏有很明显的作用。试验验证结果显示，采用“拱-梁”支护结构可以有效控制巷道的稳定性。
4结语
提高巷道顶板支护效果以此提升围岩的稳定性是关系到矿井安全生产发展的重要因素之一。通过联系实际工况条件，以大多数工作面顶板为研究对象，采用了数值模拟分析的方法对“拱-梁”支护结构的支护工作性能进行了分析，仿真试验结果表明“拱-梁”支护结构在对矿井巷道顶板的支护性能方面有较大的提高。研究成果为煤矿行业研发新型支护设备提供了依据。
参考文献
[1]杨峰，王连国，贺安民.复合顶板的破坏机理与锚杆支护技术[J].采矿与安全技术学报，2008，25（3）：286-289.
[2]刘生龙.煤巷层状软岩顶板破坏规律及支护研究[D].西安：西安科技大学，2005.
[3]段红民.复合顶板锚杆支护设计优化[J].煤炭工程，2010，21（10）：23-24.
[4]余伟健，王卫军，张农.深井煤巷厚层复合顶板整体变形机制及控制[J].中国矿业大学学报，2012，41（5）：725-732.
[5]余伟健，王卫军，文国华，等.深井复合顶板煤巷变形机理及控制对策[J].岩土工程学报，2012，34（8）：1501-1508.
[6]余伟健，王卫军，黄文忠，等.高应力软岩巷道变形与破坏机制及返修控制技术[J].煤炭学报，2014，39（4）：614-623.
作者:赵常庆 单位:同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司