试验工作面地面标高为＋70.8米，工作面标高为—376~－425米。煤层总厚度为7.48米，煤层倾角为10º；有一层夹矸，其厚度变化较大，在南二上下延左二块厚度为1.3~4.0米，走向约为1200米，岩性为黑灰色粉砂岩；工作面走向长1260米，倾斜长190米。该区域的北部为一宽缓的向斜构造，距离南四石门17煤层上山约600米为向斜轴，最低点标高为-425米左右：预计对掘进有影响的断层有6条，多为正断层，在断层附近煤岩层裂隙发育。

 

　　该项目评估为：岩体容重按25KN/m3，则－420米位置γｈ＝１0.5MPa，则σ1/γｈ＝1.8MPa，可以看出该工作面区域存在较大的水平应力。

 

　　二、厚煤层巷道顶、帮煤体变形破坏特征

 

　　1、巷道顶板的变形失稳

 

　　厚煤层巷道顶板变形失稳过程分2个阶段：

 

　　柱状 顶底板 岩石名称 厚度/m 岩性描述

 

　　.... 基本顶 粉砂岩 8.0 黑灰色，水平层理，上部含高岭土质

 

　　……… 直接顶 粉砂岩 4.0 深灰色泥岩，贝壳状断口，上部含砂质

 

　　17煤层 3.5~5.1

 

　　…….. 直接底 粉砂岩 2.61 黑灰色粉砂岩，含植物根化石及黄铁矿散晶

 

　　……..

 

　　……..

 

　　... 基本顶 细砂岩 5.39 灰白色细砂岩，硅质胶结，成分以石英长石为主

 

　　（1）前期阶段。巷道顶板为煤体，顶煤主要受水平载荷作用，水平载荷由两部分构成：一是原始应力场中水平应力因巷道开挖而重新分布后对顶煤形成的载荷；另一部分是垂直应力重新分布后形成确两侧应力集中区，由于煤体泊松比明显大于岩石而发生侧向变形，形成附加水平载荷作用在顶煤上。顶煤在水平载荷作用下发生剪切扩容，从而出现松动，松动后的顶煤传递水平载荷的能力大幅度降低。水平载荷向上部转移，形成新的剪切破坏区。

 

　　（2）后期阶段。经过前期阶段的变形破坏，已发生松动的顶煤由于强度低，出现松动后各块体间很难象岩层即样形成稳定的嵌合关系来维持自稳，在自重和上部煤体剪切扩容产生的膨胀压力作用下发生松塌性垮落。对于整体性很差的煤层（如断层带附近）、顶煤在受水平载荷作用之前就已经发生松动，此时便不经前期阶段而由自重直接导致垮落。

 

　　2、两帮的变形失稳

 

　　两帮在应力重新分布后的垂直应力作用下将出现塑性区，塑性区靠近巷道边缘附近还会出现松动区。根据塑性理论，两帮煤体塑性区的出现是两种类型的剪切滑移面形成与发展的结果。

 

　　第一种是在煤体内部出现的两组共轭剪切滑移面，这种剪切滑移面的成因是顶板载荷对煤体的压剪作用，其滑移条件符合摩尔一库仑准则。这种滑移面形成之后，随着沿滑移面剪切错动的增大，煤体对顶板的支护作用逐渐降低。同时，由于剪切扩容效应，煤体会发生侧向膨胀而出现松动，当松动发展到一定程度时，由滑移面与煤壁临空面所分割出的煤体便会发生松塌，形成片帮。

 

　　第二种剪切滑移面出现在煤层与底板之间的层面上，其滑移面的成因是：由于煤体的泊松比大于底板岩石，因而具有从顶底板之间向巷道中挤出的趋势，这种趋势使煤体内以及煤层与底板之间的层面上产生剪应力，但由于层面的抗剪能力低，所以煤层上下层面处总是先于煤体本身达到临界滑移状态。这类滑移面形成与发展的结果是造成煤体从顶、底板之间向外挤出。

 

　　显然，挤出主要发生在煤体较松软而垂直应力相对比较高的情况下，如回采动压影响阶段，两帮挤出十分明显，表现了回采巷道围岩层状特性与回采动压影响综合反映。这与进一步牵动了顶板的稳定性。因此，两帮支护状况对顶煤稳定与否的影响更为直接、更为显著。

 

　　三、厚煤层巷道锚杆支护机理

 

　　锚杆的支护作用在于：在围岩变形的早期阶段，在应力可能超过岩（煤）石强度的区域对岩层进行加固，尽可能提高其自承能力或承载能力；在围岩变形的中期阶段对已出现破坏的岩（煤）体进行加固可显著地提高围岩的残余强度，从而使其继续保持较高的传递应力的能力，避免应力向深部岩体转移，形成新的更大的破坏区；在围岩变形的后期阶段平衡由破裂面或破坏区边界所分割出的已过分松动或与母岩脱离而不能有效传递应力的岩（煤）体所承受的载荷（自重+深部岩体的膨胀压力），阻止其发生垮落或松塌。

 

 

　　1、结构合理

 

　　厚煤层巷道顶部锚杆类型的选择应从以下几个方面考虑：

 

　　（1）支护体系的强度。反映了锚杆约束效应所能达到的最大程度，取决于锚杆构件本身的强度及其锚固特性（包括锚固力的大小、锚固力的传递效果）。设计时以二者较小值为基础，为保证支护体系的强度可适当减小锚杆间排距。

 

　　（2）支护体系的刚度。反映了围岩变形早期阶段锚杆约束效应随围变形的增长幅度，进而反映了锚杆约束效应对围岩变形的响应特性，取决于锚固强度（单位长度所能产生的最大锚固力）和参与变形的杆体长度范围。

 

　　（3）支护体系的让压性。反映了锚杆支护体系对围岩大变形的适应能力。取决于杆体的可延伸性。从支护的角度，希望锚杆在围岩变形较小时有较高的刚度。而在围岩变形较大时，又有较好的让压性。

 

　　（4）抗剪阻力。反映了锚杆横向约束效应的程度。即锚杆杆体对围岩剪切错动的控制效果，取决于杆体的抗剪强度及杆体与孔壁之间的结合情况，充填情况及充填体（即固化后的锚固剂）的强度。

 

　　（5）早期承载特性。反映了锚杆约束效应相对于围岩变形的及时性、主动性，取决于早期锚固力的大小，特别是锚杆安装时的预紧强度。

 

　　根据上述设计原则，考虑支护体系刚度、抗剪、早期承载特性和锚固可靠程度，树脂全长锚固锚杆是最适合于全煤体中的作用角比较小，为了达到使顶煤保持类似整体结构的目的对顶煤均需考虑铺网并且用钢带把同排中的锚杆联结起来，形成“锚带网”组合锚杆支护结构。其中，钢带应首选专门轧制的W型钢带，其护顶效果优于用钢筋焊制的梯子形钢带。

 

　　试验条件下的全煤巷道两帮变形量预计较大，帮锚杆支护应充分考虑支护体系的强度、刚度、对残余强度的影响，让压性能的平衡，尤以让压性能最为重要。因此采用端锚是适宜的锚固方式。

 

　　2、厚煤层巷道补强加固措施

 

　　厚煤层巷道锚杆支护可供考虑的补强加固措施有打点柱、架棚联合支护、安装锚索3种。锚索与普通锚杆的支护特性基本一致，能实现共同协调承载，与打点柱、架棚联合支护相比断面利用率高、对行人运输等无影响，它比锚杆支护锚固深度大，承载能力高，并可施加较大的预紧力，可获得比较理想的支护效果，是目前最可靠、最有效的一种手段。因此，采用了锚索补强。