亭南煤矿二盘区开采彬长矿区4号煤层，煤层厚15.8～22.8m，平均厚度19.1m，平均倾角4°。4号煤层位于侏罗系中统延安组，煤层局部含伪顶，其岩性为炭质泥岩、泥岩，厚度一般小于0.3m，稳定性差，随采随落，属不稳定岩体。本盘区采用分层开采综合机械化采煤法，上分层开采6m。204工作面为首采工作面，两顺槽掘进期间预留2.5m厚的顶煤。预留的2.5m厚顶煤中含1～3层厚0.1～0.5m厚的夹矸，夹矸岩性为泥岩及炭质泥岩，从而形成了由煤层和泥岩相互间隔的复合顶板结构。

 

 

　　锚杆支护前由于巷道开挖后应力的释放使复合顶板受力突然增大，应力全部集中于顶板煤层软弱夹层上，造成软弱夹层与上部稳定岩层产生较大离层和断裂破坏，进而造成普通岩层的破坏。软弱夹层的离层和断裂同时也加剧了普通岩层的离层和断裂，造成巷道顶板整体破坏和失稳，最后形成一冒落拱。这一过程从开始掘进到最后破坏是在很短时间内完成的。

 

　　锚杆支护后，软弱夹层的应力集中现象得到了明显改善，但这并不是说软弱夹层处不会发生破坏，而是这种破坏没有支护之前那么明显。由于预应力锚杆的作用，对软弱夹层来说，它又重新受到三向应力作用，但是由于软弱夹层的不稳定性加之巷道开挖后和支护导致有些地下水会渗入软弱夹层，所以支护后软弱夹层在一定的时间内还是有可能发生较为剧烈的变形破坏，进而导致其它坚硬岩层一起发生挠曲变形，并最终使顶板变形趋于稳定。巷道顶板会有下沉，但是由于锚杆的支护作用巷道顶板下沉会较小，而且这个过程持续时间不长。

 

　　通过以上分析可知，我们可以知道亭南煤矿复合顶板的变形主要是：巷道在开挖后还没有支护前的短暂时刻从原来的三向受力状态突然变为二向受力，这时各岩层的受力突然增大，特别是软弱夹层在这一阶段有可能因为突然较大应力的作用而破坏，这一短暂过程实质上和前面的没有支护的破坏是一样的。在经过这一短暂过程后，经过支护，由于预应力锚杆的作用，对软弱夹层来说，又重新受到三向应力作用，所以它不再会像无支护那样在破坏后进行无约束的变形，在水平方向构造应力作用下复合顶板各岩层随其他坚硬岩层一起进行挠曲变形。

 

　　2亭南煤矿复合顶板锚杆（索）作用机理分析

 

　　在复合顶板围岩中，锚杆起着非常明显的组合加固作用，一方面体现在锚杆的锚固力增加了各岩层间接触压力，避免各岩层间出现离层现象；另一方面增加了岩层间的抗剪强度，阻止岩层间的水平错动，它大大减小围岩变形和弯曲张力，从而起到加固围岩提高其自稳自承能力的作用。复合顶板煤巷两帮变形对顶板稳定性有较大影响，因而增加两帮煤体的支护强度，控制其变形、破坏是对复合顶板的有效支撑。因此复合顶板煤巷两帮支护强度和煤体残余强度的提高是该类巷道围岩控制的关键之一。

 

　　在复合顶板的支护过程中，单一采用锚杆支护往往不足以保证煤巷复合顶板支护的安全，这是由于复合顶板的厚度一般都大于锚杆锚固范围的厚度。亭南煤矿204工作面两顺槽复合顶板厚度大于2.5m，而锚杆支护长度仅为2.1m。由于锚杆的锚固范围有限，锚杆锚固范围之外产生的离层就会导致顶板下沉和垮落，造成巷道的整体失稳，出现顶板垮落、两帮片帮等现象，导致巷道的破坏。为了提高巷道整体的稳定性，必须在常规锚杆支护的基础上采取其他的加强支护的措施。补打锚索加强支护是常用的措施之一。锚索主要有以下两方面的作用：一是通过高预紧力控制复合顶板的早期离层；二是利用锚索的高破断力将潜在的垮落范围内的顶板岩层悬吊在顶板深部较稳定的老顶岩层上，减小顶板岩层的下沉量，阻止锚杆锚固范围内的复合顶板岩层垮落，发挥悬吊理论的作用。

 

　　通过分析我们可以明确亭南煤矿204工作面顺槽复合顶板的变形破坏规律是：复合顶板在垂直方向自重应力作用下产生挠曲变形，而水平方向的构造应力又加剧了复合顶板的变形，最终导致复合顶板失稳破坏。在204工作面顺槽中，由于巷道的开挖使复合顶板突然从原来的三向受力状态变为两向受力，顶板各岩层受力的作用产生变形甚至破坏（夹矸由于强度低、厚度小在这个时候首先破坏），而顶板岩层同时受到水平方向构造应力作用加剧了顶板岩层的挠曲变形，最终引起对顶板失稳破坏。

 

 

　　通过对亭南煤矿煤巷复合顶板变形破坏机理与锚杆（索）支护作用的分析，我们可得知采用组合梁理论来进行顶板锚杆的支护设计，采用冒落拱理论来进行锚索的设计，对减小复合顶板下煤巷离层下沉量和提高围岩的稳定性具有重要的参考价值。