本文首先提出極易離層破碎型煤巷頂板的概念，分析了該類頂板的兩種垮冒現象及對應的兩類錨桿支護失穩形式，進而提出基於高強預應力支護的頂板離層控制原理和新型高效能頂板控制技術，最後通過幾種典型類別煤巷的工程應用示例作進一步說明。
1．引言
煤礦層狀賦存的頂板岩體結構中，煤巷較上部一層至數層厚度大、強度高的堅硬岩層不受巷道開挖影響，一般能夠自穩，不需人工支護。而煤層及其頂底板多是強度低、厚度小的薄層狀岩層組成，當頂板軟弱岩層較薄時適用懸吊理論，用錨桿將薄層軟岩錨固在堅硬岩層上即可以保證安全，這種條件在美、澳等國外先進採礦國家比較普遍，因而煤巷錨桿使用比重較高。但我國煤層賦存條件複雜多樣，多數條件頂板軟弱層較厚，鬆動破碎區範圍大，懸吊理論不適用，支護困難較大。
以兩淮礦區為例，大部分煤層頂板是由多層鬆軟岩層和煤線組成的復合破碎頂板，比如淮南礦區13槽、11槽和6槽煤層，淮北臨渙煤田7#、8#、9#煤層，宿縣礦區8#煤層內廣泛分布的頂板具有如下賦存特點：1）頂板結構複雜，軟弱夾層和層理十分發育，掘後頂板破碎範圍大，空頂自穩時間短，極易發生離層垮冒。2）煤層結構複雜，多數煤層含有硬度係數僅為0.
2~0.5軟弱煤線；煤體鬆散破碎，煤層硬度係數低於1.0，錨固效能差。
3）採深普遍達到500~600 m，部分進入800 m以下。4）煤層賦存狀態頻繁變化，構造影響隨處可見、隨時可遇，區域構造應力十分突出，水平應力的作用顯現明顯。5）高瓦斯礦區，通風斷面要求大，巷道跨度大。
6）頂板裂隙水發育，泥化嚴重。
我們稱這類頂板為離層破碎型頂板，該類頂板累計不穩定層厚很大，常常達到5.0~10.0 m以上，受巷道空間限制錨桿長度一般不能超過3.
0 m，該種條件採用高強樹脂錨桿後，錨固區岩體得到有效加固，但整個錨固區仍處於不穩定範圍內，即錨桿支護能限制錨桿長度範圍內岩體的變形，消除錨固區內離層，並產生很大的支護抗力，但避免不了在錨桿長度以外的頂板弱面離層，進而導致垮冒，頂板的安全可靠性很低。長期以來該類煤巷錨桿支護技術沒有突破，通常只能採用u型鋼拱形可縮支架和礦工鋼梯形支架支護，但支護效果很差，不能滿足安全生產的基本要求。選擇離層破碎型煤巷頂板的控制理論和關鍵控制技術進行研究，不僅可以解決該類煤巷的支護技術難題，同時可以推動我國煤礦頂板控制技術的突破，大大改善煤礦安全狀況，推動行業技術進步。
2.煤巷頂板離層控制原理
離層破碎型煤巷頂板的失穩表現為向上漸次垮冒的動態發展過程，煤巷採用以錨桿為基礎的支護形式時，其頂板的穩定性取決於錨固區內外的離層狀況。有些礦區單純從提高錨桿的規格和加大使用密度的支護思想出發，成本增加很大，但仍不能從根本上控制頂板垮冒事故。實際上，絕大多數煤巷支護失效表現為錨固區整體垮冒，其中錨桿受力很小，幾乎沒有杆體破斷現象，因此錨固區外的弱面離層是煤巷採用錨桿支護技術面臨的一大挑戰。
80年代以來，煤層頂板控制理論發展很快，除了傳統的懸吊理論、組合梁（拱)理論以外，提出了「最大水平應力理論」、「圍岩強度強化理論」、「剛性梁理論」等新理論，對煤層頂板的破壞原因、破裂岩體的錨固規律及影響因素、支護預緊力的作用機理等都做了較深入的分析，這些成果為課題組提出頂板預應力控制思想和離層控制理論起到了很好的借鑑作用。頂板離層控制理論和結構分析就是基於對水平地應力和錨桿預應力作用深入認識，從分析冒頂特徵和支護失效的原因出發，提出的新控制理論。
2.1煤巷頂板的失穩形式
結合兩淮礦區的條件，課題組跟蹤調研了國內煤礦的一些典型冒頂現象，主要表現為兩種：隨巷道掘進開挖出現臨空自由面，應力重新分布，軟弱圍岩必然出現破壞，並形成一定範圍的鬆動區，而目前的所有支護都有一定的滯後性，因此頂板表層軟弱岩體的冒落是不可避免的，我們稱之為鬆脫型垮冒，其範圍一般在0.5~1.
5m內，產生的負荷一般在15~25 kn/m2以內。目前常用的頂板控制方式為架棚支護和普通高強錨桿支護，由於架後空虛，棚式支護架設之初對頂板鬆動岩體沒有任何作用，而「九五」期間形成的錨桿支護技術更多地強調了錨桿支護系統的強度，其初錨力仍很低，一般僅能達到5kn/根，尚不足以平衡鬆脫岩體重量，因此這兩種低初始支護力的支護形式不能阻止鬆動範圍的進一步擴大，不能防止鬆脫型冒頂，直到鬆動破壞岩體充滿架後空區支架才起作用，或圍岩碎脹變形充分後錨桿才被動承載。
鬆動範圍的加大減少了有效錨固厚度，在水平應力和自重應力雙重作用下，錨固區發生彎曲變形，上位弱面受水平剪下破壞，層間位移導致弱面離層，錨固區變形持續發展直至垮冒，我們稱之為擠壓型垮冒。第一種冒頂主要是破裂岩體在自重作用下發生的，第二種冒頂則主要是頂板次生水平應力的作用效應。
a) 鬆脫型垮冒b) 擠壓型垮冒
圖1 煤巷頂板的兩種垮冒型式
相應地，支護的失效表現為兩種情況：鬆脫型垮冒得不到控制，錨固區產生裂隙，錨固強度衰減，進而導致錨固區整體穩定性的削弱或破壞，稱之為錨固區內離層；錨固區本身的完整性較好，但整體變形過大，不能阻止向上的漸進破壞，導致外層弱面離層，稱之為錨固區外離層。錨固區外離層的持續發展將導致錨固區整體垮冒，如圖2。
兩淮礦區的典型煤層頂板在掘進時表現為強烈的冒頂傾向，根據頂板破碎程度、最大完整層厚度不同而表現出不同的空頂自穩時間。通常掘進迴圈進尺一般都要求在1.0 m以內，支護稍微遲緩，便會冒頂。
首先表現為鬆脫型冒頂，隨後由於支護的能效過低、圍岩持續變形發展為錨固區外離層的擠壓型冒頂。
圖2 錨固區整體垮冒
2.2頂板離層控制原理
如前所述，錨桿安裝之初對圍岩的作用與支護體系的強度關係不大，主要取決於錨桿預緊力的大小，已有的技術更多地強調了錨桿材料的強度，而忽視了錨桿的實際能效，這裡定義錨桿的支護能效w為錨桿載荷f與圍岩變形量的乘積。如下圖3為淮南謝橋煤礦煤巷錨桿載荷實測曲線，由圖3可見，錨桿預緊力的提高不僅會改善錨桿的增阻速度，同時對錨桿的最終載荷影響很大，也就是說不同的預緊力產生了不同的錨桿工作曲線。由此說明提高錨桿預拉力和增加錨桿強度是同樣重要的，它也是將錨桿預拉力作為最重要支護引數開展支護設計、引數優化的理論依據。
當錨桿預緊力小於鬆脫岩體重量時，鬆動範圍進一步發展，向上漸次鬆動，錨固區岩體逐漸破壞，產生裂隙，導致支護失效；當錨桿預緊力大於鬆脫岩體重量時，則克服了這個缺陷。因此，課題組提出高強預應力支護的概念，不僅強調支護材料本身的強度、錨桿與圍岩的錨固強度，同時注重支護能夠實現的初始支護力，即支護的預應力水平。
圖3 煤巷錨桿載荷實測曲線
離層破碎型煤巷掘進時，復合頂板通常有0.5~1.5 m厚的鬆動層(頂板煤巖互層)隨掘隨冒，有時受端頭效應影響處於潛在冒落狀態，打眼等微小的施工擾動都可能誘發垮冒。
其負荷大致為15~25 kn/m2，採用人工擰緊螺母的方式安裝的普通高強錨桿初始徑向支護力一般低於10 kn，這種低初錨力的支護尚不足於平衡鬆動岩體自重，更談不上有效地控制弱面離層，因而不能形成有效的主動支護，常常難以避免圖2所示的錨固區整體垮冒的失穩形式。
高強預應力支護則針對復合頂板的漸進離層垮冒過程，充分調動圍岩自身的穩定性和巷道特殊的結構效應，控制頂板的兩類離層和垮冒，支護效果和安全狀況隨之大大改善。其基本原理如下圖4所示，包括如下幾點：
圖4頂板離層控制原理圖
1) 通過提高錨桿的初始徑向張力，及時將鬆脫區岩體與上位岩體擠壓加固在一起，阻止頂板岩石鬆脫範圍的進一步擴大。
2) 增大錨固範圍，形成有效的加固厚度，提高錨固區岩體的強度和抗剪剛度，消除頂板的漸次離層和垮冒。並對深部圍岩提供側向約束，維護錨固區外圍岩弱面自身的力學效能，調動深部圍岩的自身強度和穩定性。
3) 當錨固範圍達到穩定岩層，並具有足夠的強度時，即能保持頂板的安全；當頂板不穩定層厚很大，錨固範圍不能達到深部穩定岩層區時，利用巷道上幫角的圍岩擠壓區，建立強化承載結構，形成向上的反力矩，平衡水平應力對頂板岩層的破壞作用，同時也預防頂板錨固結構失效時的突發垮冒。
通常在頂板不穩定層厚超過5~6m，錨索加固範圍難以達到穩定岩層時採用這種結構，頂板十分破碎，錨固效果不可靠時，也適宜使用這種護頂結構。
2. 3開展層狀頂板圍岩結構分析，提出幾種承載結構形式及穩定性分析方法
高強預應力支護不僅改善頂板的應力狀態，消除頂板中部的拉應力區，同時減弱兩個頂角的剪下應力集中程度；而且通過強化頂板弱面，消除拉伸破壞，控制圍岩弱化區的發展，使錨固區載荷趨於均勻並實現連續傳遞，從而形成預應力承載結構。根據頂板岩層結構特徵和開採環境的不同，提出不同的預應力承載結構形式如下：
第一種：關鍵巖梁結構，適用於較薄復合頂板、關鍵層距頂板較近的條件；該種結構只需要加大錨固範圍，並分析關鍵岩層和下位岩體間的合理連線強度。
第二種：強化承載拱結構，適用於厚層復合頂板、關鍵層較遠的條件；不僅需要建立具有一定強度的整體錨固圈層，同時必須建立該錨固圈與外圍承載拱的關係。
考慮巷道頂板中部拉伸和肩角剪下破壞的穩定性判據為：
； 第三種：留小煤柱沿空掘巷的大小結構及穩定性分析。針對留小煤柱沿空掘巷特殊的圍岩條件，應用關鍵層理論和數值計算分析方法提出大小結構穩定的基本論點：
沿空掘巷上覆岩體「關鍵塊體結構」無論在巷道掘進前、掘進時、掘進後均可以保持穩定；在本區段工作面回採時，頂板的關鍵三角板雖然有一定程度的迴轉下沉運動，但不會失穩，即大結構是可以自穩的，這對保持沿空掘巷的穩定性提供了先決的外部條件，這一結論為為留小煤柱沿空掘巷的可行性分析和合理留設煤柱提供科學的理論指導。合理地選擇煤柱尺寸能夠保證大結構下的沿空掘巷頂板壓力顯現較小，支護的關鍵是保持頂板岩層的整體性，採用錨桿支護時需要提供足夠的預緊力和一定的加固厚度。
3．高強預應力支護技術
提高支護產品技術效能的主要途徑是研究新產品、新結構，使其適應煤巷破碎圍岩條件，提高錨桿支護能效。基於離層控制理論，本課題提出煤巷高強預應力支護技術，它是指安裝時形成有效約束頂板弱面並消除頂板離層的高強支護系統。這是有別於低強度低初錨力的傳統錨桿支護和高強度低初錨力的高強錨桿支護的乙個相對的階段性概念，是錨桿類支護技術發展的乙個新階段，這裡為區別初錨力的傳統概念，把安裝時超過頂板鬆動岩層自重並形成預應力承載結構效應的錨桿初始徑向作用力叫錨桿預拉力。
近幾年高效能錨桿等新型支護手段的研製和應用、大扭矩鑽機的開發和推廣等相關技術正是按照這一思路迅速發展的。該技術從根本上解決了支護主動性的問題，克復了高強錨桿支護使用中存在的主要安全和技術缺陷，並初步形成高預拉力、高可靠性和大間排距的新技術特徵。
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