屯兰矿的巷道条件属典型的复合顶板,其顶板岩层存在若干泥岩夹层,此泥岩夹层厚度不均,裂隙节理发育强度极低。泥岩夹层的存在割裂了顶板岩层的的连续性,回采过程中受到应力扰动发生过多次冒顶事故,巷道维护环境恶劣。因此如何设计支合理的支护方案成为矿上亟待解决的问题。同时,也为复杂条件下复合顶板支护技术的机理及技术提供了一定的借鉴。本文主要研究内容如下:1.巷道顶板岩层断裂力学模型及断裂机理(1)煤巷顶板岩层力学结构分为板式结构和梁式结构,分别以薄板结构模型和梁结构模型分析了煤巷顶板岩层结构破断机理,薄板结构模型以承受均匀载荷的四边简支板为例,梁结构分简支梁和固支梁分析了其破断力学机理;(2)得到影响巷道顶板稳定性的主要因素为:采动系数,埋深系数,地应力异常系数,岩层完整性系数,岩体强度系数等,由于无法进行量化构造和地下水对岩层的影响程度,虽然对顶板岩层稳定性影响很大,只能在后章的冒顶危险级别划分中进行考虑;(3)根据薄板结构模型得出的顶板岩层保持稳定的条件为岩层内最大拉应力,当岩层跨距a一定时,可进一步推算出所打设的锚杆等支护结构的排距需满足,岩层稳定性同时与岩层跨度和支护排距两个方向的长度有关;根据简支梁模型确定的使顶板岩层保持稳定的条件为岩层跨距需满足,只与岩层跨距一个方向的长度有关;2.巷道顶板岩层结构特征(1)通过对巷道顶板钻孔及岩芯资料的分析,可以得出巷道顶板岩层结构特征:①12501工作面运输巷顶板岩性随着位置的变化而变化,前400m左右以石英砂岩为主,强度较高,层面内含有煤粒。顶板浅部岩层结构呈现粉砂岩和砂质泥岩互层,节理发育,裂隙明显;400m~700m之间巷道顶板岩层以泥岩和砂岩为主,最后一段巷道顶板有大量炭质泥岩;②12501工作面回风巷顶板岩层结构以黑色炭质泥岩为主,打孔过程中有掉渣现象,有螺旋线,钻孔后大半部分为强度较高、完整性好的砂岩,对顶板稳定性影响较大;③运输大巷顶板主要为强度较低的泥岩,节理裂隙发育,上部为强度高、完整性好的砂岩,对顶板稳定性具有决定性作用。(2)煤岩显微特征顶板岩芯显微镜观察结果如下:①屯兰矿区砂岩中的稳定组分多成次尖棱角状~次圆状,结构成熟度较高。②砂岩中的稳定组分石英含量较高,成分成熟度较高。③砂岩中的胶接物以泥质为主,稳定组分相对较少,粘土成分含量高,成分成熟度相对较低。由此可见,矿井巷道顶板岩层结构破碎,泥岩成分较多,强度较低,综合岩芯分析结果及岩石物理力学参数,以及该地区的水文地质条件,可将顶板岩层视为软岩结构。3.巷道顶板冒顶危险性分级研究以屯兰矿现有地质钻孔信息、地质构造情况为主要依据,根据屯兰矿开采现状,结合课题组进行的岩芯钻取实验与岩石物理力学性质测试结果,利用角度加权修正的反距离加权插值法对屯兰矿南部矿区的稳定岩层层位进行预估,并根据预估结果得到不同级别危险分区的分界线计算方法以及分类结果,由分类结果可以看出:(1)顶板稳定性类别相差较大。在图中顶板稳定性分类区域中,以Ⅲ类顶板(不稳定顶板)为主,约占分类区域的60~70%以上。该区域存在断层构造较多,顶板稳定性较差,该处顶板冒顶风险较高,顶板围岩相对破碎,应尽量提高锚杆(索)支护强度与支护密度,或改变支护形式。(2)Ⅰ类顶板和Ⅱ类顶板约占顶板分类区域的10%,主要分布在分类区域的北部和南部,并且Ⅰ类顶板和Ⅱ类顶板区域相互交叉,没有明显规律。该处顶板较为稳定,Ⅰ类顶板可单独使用锚杆支护,Ⅱ类顶板应适当配合长度为4m以上的锚索进行支护。(3)Ⅳ类顶板即不稳定顶板,主要分布在分类区域的中央,约占分类区域的20~30%,该处存在断层构造较多,且断层落差较大,严重影响了巷道顶板稳定性。Ⅳ类顶板冒顶风险极高,应尽可能的加大支护强度与支护密度,同时应加强该区域的巷道矿压监测,适时进行补强支护。4.巷道顶板控制方案设计与分析(1)根据屯兰矿的实际地址条件和顶板危险性分级结果,结合巷道复合顶板巷道支护机理,确定了屯兰矿复合顶板支护参数的理论计算方法。(2)根据屯兰矿具体的分级结果,采取有针对性的支护方案,确定了两大类的支护方案即:加长锚杆、锚索的联合支护和无锚索支护,并对各方案的支护效果进行了数值模拟分析,分析表明支护方案可以很好地满足不同冒顶危险性顶板的支护要求;(3)数值模拟主要针对有无锚索进行了分析,结果表明屯兰矿复合顶板条件下更适合采用无锚索支护,加长锚杆相对于锚杆、锚索联合支护具有更大的锚固范围和抗变形能力。5.巷道顶板矿压监测对实施支护方案后的现场进行矿压监测,包括深基点位移监测和表面位移监测,从而可以直观的反映出支护与围岩相互作用的结果,在观测30天后,通过对不同冒顶危险级别顶板进行统计分析可知:在不同的冒顶危险区域,采用相应的支护方式时顶板均可以保持稳定,冒顶危险性高的Ⅲ、Ⅳ类顶板下沉量略大,但该变形仍处于可控的范围内。在整个监测周期内,顶板整体稳定性较好,未发生局部冒顶事故。采用新的支护方式使巷道顶板变形量比较小,同时使巷道顶板变形在较短时间内能达到稳定趋势,该支护形式对围岩的控制效果能满足工程的要求。监测结果表明根据冒顶危险性分级设计的支护方案能满足现场支护要求,很好地解决了屯兰矿巷道支护难的问题,具有重要的理论意义和巨大的经济效益。