巷道冒顶控制问题一直以来是巷道支护领域的研究热点和难点,冒顶事故具有较高的隐蔽性、突发性和高度危险性,给人们带来了巨大的精神压力、心理恐惧和财产损失。巷道顶板的塑性破坏是产生冒顶的重要原因,揭示巷道冒顶机理必须掌握巷道围岩的塑性区分布规律,由于巷道围岩的特点一般是非均质的,具有分层特点,其所处的应力场环境特征一般也是非均匀的,这种环境下的围岩塑性破坏形态势必出现不同于均匀应力场或者均质围岩条件下的形态特征。因此,研究非均匀应力场条件下层状顶板巷道冒顶机理,寻求解决巷道冒顶问题的实用理论和方法是煤矿开采中亟待解决的关键问题之一。本文以神东保德煤矿釆动巷道为工程背景,采用理论分析、现场测试、数值模拟、实验室试验和现场工程试验等综合研究方法,以巷道围岩蝶形塑性区理论为基础,对蝶叶塑性区在层状岩体巷道顶板中的分布规律、层状顶板巷道冒顶机理、层状顶板巷道冒顶控制方法和层状顶板支护技术等方面进行系统研究,取得了如下主要结论和创新成果:(1)分析了非均匀应力场条件下的巷道围岩塑性区形成的力学机制与分布特征,当巷道周边应力大于围岩强度,且巷道围岩周边两个主应力比值较大时,围岩被剪切破坏,形成蝶形塑性区,主应力比值越大,蝶形塑性区蝶叶扩展越为明显,不同巷道断面形状的蝶叶塑性区形态有一定差异,但蝶叶扩展程度差别不大。同时,蝶叶塑性区具有方向性,无论是圆形巷道还是非圆形巷道,蝶叶方向与最大(或最小)主应力方向始终保持固定的角度,当最大(或最小)主应力方向发生旋转,蝶叶塑性区方向也随之发生偏转,当蝶叶塑性区位于顶板上方,巷道顶板稳定性最差。(2)获得了保德矿工作面釆动叠加应力场的环境特征,工作面回采过程中,其两侧回采巷道位置处存在高应力比值带,距离工作面18~50m范围内,主应力比值为2~3,而距离工作面18m范围内,主应力比值高达3~5;同时高应力比值带区域最大主应力方向发生不同程度偏转,工作面侧方10~50m范围内,主应力偏转角度可达26~54°,且越靠近工作面,主应力偏转程度越大。在这种采动叠加应力场条件下,回采巷道围岩必然出现蝶叶朝向顶板的蝶形塑性区。(3)采用数值模拟和理论分析方法系统研究了典型岩层组合顶板、蝶叶朝向顶板条件下的矩形和圆形巷道顶板蝶叶塑性区分布规律,发现巷道顶板蝶叶塑性区具有穿透性,坚硬岩层的存在不能阻断蝶叶塑性区在软弱岩层形成,蝶叶塑性区会穿透坚硬岩层在强度较低的岩层重新分布,出现隔层扩展的现象,并且这种软弱夹层位置处蝶叶塑性区分布形态几乎不受其下位岩层的影响。蝶叶塑性区“穿透能力”主要受蝶叶影响区面积、蝶叶塑性区方向、顶板岩层倾角等因素的影响,具有一定的蝶叶影响区面积是蝶叶塑性区形成穿透的前提,而蝶叶塑性区偏移角、顶板岩层倾角的加大,会间接造成蝶叶塑性区穿透能力的下降。(4)通过高密度顶板钻孔窥视和顶板深部围岩多基点位移监测两种观测手段,对保德矿巷道层状顶板蝶叶塑性区分布进行了探测,其顶板塑性破坏区呈现明显的穿透性,蝶叶塑性区穿透较为坚硬的煤层后,在力学强度较软弱的泥岩层重新分布,煤层浅部和煤层上部的泥岩层蝶叶塑性破坏严重,变形量可达总变形量的75%以上,而两个蝶叶塑性破坏区域之间的完整煤岩区域变形量占总变形量的比例不足20%,完整性较好,主要是由于穿透后在泥岩层内重新分布的蝶叶塑性区对下位完整煤层挤压所致。观测结果与相同条件下数值模拟结果基本一致。(5)揭示了层状顶板巷道冒顶机理,顶板含有软弱岩层且蝶叶塑性区穿透下位坚硬岩层在该软弱岩层重新形成,伴有巨大的膨胀压力和强烈变形,这种围岩的变形破坏在现有技术条件几乎是给定的,使下位坚硬岩岩受到持续、巨大的“挤压”载荷,致使其发生断裂破坏,当这种软弱岩层区域的蝶叶塑性区形成产生的变形达到一定的程度后,其下位坚硬岩层则彻底失稳垮落,如果此时支护不再能承担顶板破坏岩石的重量,巷道便发生冒顶。(6)阐述了层状顶板巷道冒顶的影响因素,顶板产生一定范围的塑性区破坏是冒顶产生的核心因素,相同岩层组合、巷道断面、应力绝对值条件下,当蝶叶偏转于顶板上方,巷道顶板破坏深度、变形量最大,巷道冒顶隐患程度最大;隐患冒顶高度取决于蝶叶塑性区影响区域内软弱岩层的位置,与软弱岩层下位岩层状态几乎无关,只与软弱岩层本身及其上位岩层有关。(7)基于现场实测,结合理论分析,研究了支护阻力对顶板变形破坏的控制效果和作用形式,形成了层状顶板巷道冒顶控制方法,围岩的塑性破坏及其产生的变形在现有支护条件下几乎是给定的,应釆用能够适应围岩大变形、可持续提供较高工作阻力、具有足够锚固范围的支护材料,遏制塑性区围岩的恶性扩展,保证塑性区围岩的稳定,进而消除冒顶隐患。(8)在层状顶板巷道冒顶机理研究的基础之上,开发了便于工程应用的非均匀应力场层状岩体巷道顶板危险层位识别与冒顶隐患高度计算系统,可快速识别顶板危险岩层,确定冒顶高度、合理锚固层位等支护设计所需的基础数据。(9)阐明了层状岩体巷道不同层位顶板的破坏失稳形式与控制关键:顶板表层岩层一般较为破碎,锚杆锚索与辅助材料(除网片外)支护完成后,顶板表层岩层极限跨距应大于顶板裸露岩层尺寸;浅部顶板易发生块状危岩掉落,应采用高密度短锚杆支护,结合接长锚杆与锚索支护,防止浅部层位顶板块状危岩掉落;中部层位顶板的蝶叶塑性区或者穿透分布的蝶叶塑性区是该区域顶板冒顶的根本原因,接长锚杆可适应围岩塑性破坏产生的剧烈变形,并持续提供较高的支护阻力和足够的锚固范围,维持塑性区破裂围岩的稳定,避免围岩塑性区恶性扩展;巷道掘进过程中,深部层位顶板则会出现大范围垮塌的隐患,应采用长锚索控制深部层位顶板大范围垮塌,这种深部层位顶板的范围一般不超过巷道跨度。(10)形成了以接长锚杆为主导的蝶叶塑性区层状岩体巷道顶板层次控制体系:辅助支护材料防止0.5m范围内表层顶板碎岩掉落;高密度普通长度锚杆控制1.5~2.0m范围内浅部顶板危岩坠落与局部漏顶;接长锚杆维护3.0~4.0m范围内蝶叶塑性区内围岩整体稳定,防止塑性区围岩恶性扩展和顶板大块度冒顶;长锚索控制巷道掘进时的深部层位顶板大范围失稳垮塌,同时对蝶叶塑性区内围岩形成再次控制。(11)采用非均匀应力场层状岩体巷道顶板危险层位识别与冒顶隐患高度计算系统对保德矿81306工作面两条回风顺槽进行顶板危险层位识别与隐患冒顶高度计算,得出:顶板浅部煤层与煤层上位泥岩薄层和部分区域砂质泥岩层是危险岩层(蝶叶塑性区穿透分布区域),一号回风顺槽最大冒顶高度应为3.3m,合理锚固层位应为3.8~5.3m;二号回风顺槽最大冒顶高度应为3.9m,合理锚固层位应为4.5~6.0m,基于以上支护基础数据,设计了试验支护方案并进行了工程实践。工程试验结果表明:不同支护强度下巷道顶板下沉量均在220~1320mm之间变化,巷道顶板下沉量与支护强度大小相关性不大,这种变化主要受采动应力的非均匀性和巷道围岩的空间差异性的影响,支护阻力对于此类巷道的变形破坏控制作用有限,采用以接长锚杆为主导的蝶叶塑性区层状岩体巷道层次控制体系可有效防止巷道冒顶。接长锚杆支护力监测结果表明,采动影响期间,接长锚杆的支护力稳定在79~159KN,其工作状态良好,且极少出现锚杆破断现象,有效防止了围岩塑性区恶性扩展引起的塑性区破碎岩体冒落。