近年来,随着综放开采工艺不断完善及回采设备大型化、自动化程度提高,大型集约化综放开采已成为我国厚及特厚煤层高产高效安全开采的重要发展方向。大型综放开采在实现厚煤层资源高产高效开采的同时,与之相匹配的综放回采巷道必然面临着大断面、强烈采动影响、软弱厚煤顶等围岩控制难题,加之近年来为响应国家建设资源节约型矿井的号召,窄煤柱条件下的综放大断面沿空巷道工程越发普遍。大量现场工程实践发现,综放沿空巷道顶板沿铅垂方向显现不对称下沉破坏,沿水平方向显现不对称挤压变形破坏,且变形破坏的不对称性在大型综放开采和区段窄煤柱条件下趋于恶化,甚至可能引发恶性冒顶和支护失效损毁等事故,导致顶板失去控制和煤巷安全性低下。传统的综放沿空巷道顶板破坏机制及相应的控制理论与技术无法有效解决此类巷道围岩失稳问题,有针对性地开展深入系统研究已具有刻不容缓的必要性和紧迫性。本文以王家岭煤矿20103区段运输平巷为工程背景,基于综放沿空巷道围岩性质结构和受采动影响程度的不对称差异性,探索顶板煤岩和支护体不对称矿压显现及其与各影响因素之间的关联性;深究顶板煤岩体的失稳准则和判据及偏应力场时空演化规律,阐明顶板不对称破坏机制和控制方向;设计有效控制顶板不对称变形破坏的新型锚索桁架结构,揭示其矿压控制作用原理;探究顶板与锚索桁架之间的不对称调控关系和指标体系,形成综放沿空巷道顶板的新型锚索桁架控制系统。取得如下结论:(1)对综放沿空巷道顶板变形破坏特征进行现场调研,调研结果表明:综放沿空巷道顶板以巷道中心线为轴沿铅锤方向和水平方向呈不对称矿压显现特征,沿铅垂方向,靠煤柱侧顶板严重下沉乃至局部冒漏顶,直接顶与煤柱之间存在滑移、错位、嵌入、台阶下沉等现象;沿水平方向,顶板岩层水平运动剧烈,存在围岩错动形成的明显挤压破碎带,并导致了W钢带和钢筋托梁弯曲失效、金属网撕裂等现象;围岩变形破坏主要发生于巷道的靠煤柱侧顶角(45.2%)、靠煤柱侧巷道顶板(25.8%)、煤柱帮中上部(22.6%)3个位置。(2)采用钻孔窥视方法观测顶板内裂隙发育情况,结果表明:靠实体煤侧顶板裂隙多以浅部发育的横向裂隙及离层和错位为主,而靠煤柱侧顶板裂隙可分为浅部(0~3.0 m范围)横向裂隙/离层发育区和深部(4.9~12.3 m范围)走向裂隙发育区(局部区域裂隙完全贯通形成断裂破碎带);根据钻孔长度、倾斜角度及破碎区范围,确定基本顶断裂位置距采空区约为5.496~6.847 m。(3)对20103区段运输平巷围岩进行室内力学实验,评价其物理力学性能。2#煤层单轴抗压强度为13.89MPa,属于软弱煤层,表现出一定的塑性特征;直接顶砂质泥岩具有较高的抗压、抗剪、抗拉强度,岩层相对稳定;基本顶粉砂岩单轴抗压强度达到142.34MPa,稳定性较高;底板泥岩单轴抗压强度为44.64MPa,遇水泥化。(4)通过理论分析方法研究了综放沿空巷道基本顶结构特征及其与顶板不对称破坏的关系。理论计算确定了侧向基本顶的几何尺寸与破断位置,建立了综放开采侧向关键块破断结构模型,解算得出采动影响下沿空巷道顶板岩梁弯矩和挠度表达式;综放沿空巷道顶板弯矩和挠度均沿沿巷道中心线呈显著的不对称特征,最大弯矩和挠度出现在距煤柱帮1.5m处,该区域是顶板破坏的关键部位。(5)采用UDEC数值模拟软件分析沿空巷道基本顶运动与巷道围岩稳定性的关系,探讨基本顶破断位置与沿空巷道不对称矿压显现的定量关联性。浅部0~2.0m范围内靠煤柱侧顶板下沉量明显大于靠实体煤侧顶板下沉量,深部2.0~5.0m范围内顶板下沉量自实体煤侧到煤柱侧呈线性增大趋势;浅部0~1.5m范围内岩层从两侧向巷道内发生挤压运动,0水平位移点由巷道中心处向实体煤侧转移0.9m,深部1.5~6.0m范围内岩层由煤柱侧向实体煤侧发生运动。随着基本顶破断线与沿空巷道中心线距离减小或者基本顶下沉量增大,煤柱承受的垂直载荷逐渐增大,使得煤柱帮自身承载性能及其对顶板支撑作用明显弱于实体煤帮,从而加剧了沿空巷道围岩结构的不对称性和顶板变形破坏不对称性。(6)采用FLAC数值模拟软件分析综放开采不同阶段沿空巷道顶板岩层畸变能演化过程。综放沿空巷道顶板0~3.5m高度范围内偏应力第二不变量呈“双峰状”分布形态,3.5~11.5m高度范围内偏应力不变量呈“单峰状”分布形态;受本工作面回采期间上覆岩层二次破断影响,煤柱承载能力降低致使其上方顶板岩层畸变能存储能力降低,引起偏应力第二不变量峰值向实体煤上方顶板转移。随着煤柱宽度或强度减小,煤柱帮承载能力降低并发生压缩变形,造成靠煤柱侧顶板承载能力降低,顶板偏应力开始向实体煤上方顶板转移,并诱发了靠煤柱侧顶板沿垂直方向和水平方向的不对称位移。(7)基本顶结构回转下沉、松软煤柱帮、巷道大断面、支护不合理等是造成沿空巷道围岩性质结构和应力分布不对称性的主要因素。综放沿空巷道顶板不对称破坏灾变过程如下:相邻工作面推进→基本顶发生破断回转下沉运动→巷道附近区域煤岩体损伤→巷道开掘促使围岩性质结构和顶板应力的不对称分布→靠煤柱侧煤岩体(顶板、顶角、煤柱帮上部等)局部位移变形→靠煤柱侧顶板煤岩体大范围破碎或岩层错位、嵌入、台阶现象→支护结构载荷增大与不均匀受力→实体煤侧煤岩体位移变形→大规模围岩变形和支护体破坏→本工作面回采再次激活覆岩结构,不对称变形破坏进一步加剧。(8)基于综放沿空巷道顶板不对称破坏机制,提出了以“不对称式锚梁结构”为核心的综放沿空巷道调控系统,其主要包括高强锚杆、预应力桁架锚索和不对称式锚梁结构,该调控系统不但具有控制大范围塑性破坏、抗剪性能强的优点,且能对巷道顶板煤岩体变形的不对称性做出积极响应并能对其进行有效的控制;研发的以高强度钢筋托梁和16#槽钢托梁为连接构件的不对称锚梁结构,具有承压降载、减垮抗拉、不对称控制和适应顶板水平运动的特点。(9)结合20103区段运输平巷地质生产条件进行支护参数设计,并提出了现场控制思路。具体支护措施包括:(1)对顶板进行高强锚杆支护,控制围岩松动变形,保证顶板整体性和巷道作业环境安全;(2)煤柱帮高强锚杆支护,减少煤柱帮压缩变形,提高煤柱帮承载能力,降低顶板变形不对称程度;(3)顶板不对称式锚梁支护,提高靠煤柱侧顶板承载能力,抑制顶板不对称下沉和水平挤压变形;(4)顶角锚索补强加固,提高顶角煤岩稳定性,避免局部冒落失稳;(5)对超前采动影响范围内顶板和煤柱进行超前加固,进一步提高巷道稳定性。20103区段运输平巷现场工程实践表明,采用不对称锚梁支护系统后,巷道维护状况良好,未发生顶板冒漏现象,顶板不对称变形破坏得到有效控制,巷道断面满足工作面通风、运输、行人等要求。