軟巖巷道頂板冒漏機(jī)理分析及處理措施

王培榮

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司 大平煤礦，山西 襄垣046200）

頂板事故作為礦井五大自然災(zāi)害之一，雖不像瓦斯、煤塵爆炸和透水事故會(huì)造成群死群傷，但頂板事故具有發(fā)生頻率高的特點(diǎn)，約占礦井總死亡人數(shù)的50%以上。尤其是隨著礦井不斷向下延伸，巷道支護(hù)難度不斷加大，頂板事故發(fā)生率有增高趨勢(shì)。軟巖巷道不同于普通巷道，該類(lèi)巷道圍巖強(qiáng)度低、自承載能力差、節(jié)理裂隙發(fā)育程度高、巖體內(nèi)聚力低，易受到礦山壓力、采掘擾動(dòng)和風(fēng)、水作用下出現(xiàn)變形和破壞，故軟巖巷道支護(hù)一直是礦井安全生產(chǎn)的重要難題?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)表明，軟巖巷道最常見(jiàn)的問(wèn)題是頂板離層、下沉和冒漏，對(duì)于處理軟巖巷道頂板失穩(wěn)常采取的處理方法為架棚支護(hù)、注射物理化學(xué)加固劑等，但這些方法的使用往往因地質(zhì)條件或者現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，效果并不顯著。大平礦所采煤層為3＃煤層，該煤層直接頂為灰黑色泥巖，基本頂為泥巖和粉砂巖。受地質(zhì)構(gòu)造影響，回采順槽頂板比較破碎，在掘進(jìn)過(guò)程中多次出現(xiàn)小范圍頂板冒漏現(xiàn)象。為了更好地指導(dǎo)巷道掘進(jìn)，確保采掘期間巷道的穩(wěn)定性，決定對(duì)本礦3302工作面軟巖順槽頂板破壞機(jī)理進(jìn)行研究和分析，并根據(jù)實(shí)際提出頂板冒漏處理方案。

1 軟巖巷道頂板失穩(wěn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

1.1 巷道概況

3302工作面回風(fēng)順槽沿3＃煤層頂板掘進(jìn)，屬煤巷，南鄰3301工作面采空區(qū)，巷道設(shè)計(jì)規(guī)格為4.5m×3.7m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1540m。3＃煤層以亮煤為主，夾有少量的暗煤，煤層厚度為3.5～5.1m，平均為4.5m，煤層傾角為7°～12°，平均為8.6°，普式硬度系數(shù)f＝0.7～1.3，整體屬于松軟易碎煤層。順槽頂?shù)装鍘r性較簡(jiǎn)單，偽頂為厚0.1～0.2 m的灰黑色泥巖，直接頂為厚2.5m的灰黑色泥巖，局部夾有少量深灰色粉砂巖，泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高；基本頂為厚5.6m的泥巖～粉砂巖，為微弱含水層。在巷道掘進(jìn)期間，共揭露正斷層4個(gè)，落差均小于4m，不排除隨著巷道的掘進(jìn)，還會(huì)揭露斷層等地質(zhì)構(gòu)造。在順槽掘進(jìn)期間會(huì)經(jīng)常性的出現(xiàn)小范圍頂板冒漏現(xiàn)象，尤其是在過(guò)斷層期間表現(xiàn)更為明顯，故頂板管理難度較大。

1.2 頂板失穩(wěn)實(shí)測(cè)

通過(guò)掘進(jìn)期間對(duì)3302工作面回風(fēng)順槽的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)順槽頂板變形破壞具有非均勻性、階段性。非均勻性是指巷道頂板破壞從淺到深的破壞程度不均勻，不同條件下巷道破壞情況具有不均勻性，即頂板淺部圍巖較深部圍巖變形速度和變形量較大，圍巖完整性和強(qiáng)度較高地段巷道頂板失穩(wěn)破壞程度較輕；階段性是指巷道出現(xiàn)變形破壞具有一定的時(shí)間效應(yīng)，在巷道開(kāi)挖初期，頂板變形較劇烈，隨著時(shí)間的推移，頂板圍巖變形逐漸減弱直至穩(wěn)定。但是對(duì)于存在頂板淋水現(xiàn)象時(shí)，巷道頂板巖體易發(fā)生水理作用致使巖體出現(xiàn)崩解和破壞，圍巖將長(zhǎng)期保持某一相對(duì)穩(wěn)定的變形破壞速度。

資料顯示，對(duì)于軟巖巷道，頂板裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展是隨時(shí)間不斷加劇的過(guò)程，且頂板裂隙發(fā)育是由巷道頂板表面向深部逐漸擴(kuò)展的，故裂隙分布以淺部為主。為了掌握該順槽頂板深部巖體破壞情況，分別在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽布置兩個(gè)鉆孔，分別位于3302回風(fēng)順槽300m、600m和3302運(yùn)輸順槽600m和900m，鉆孔深9m左右，孔徑33mm，鉆孔垂直頂板方向布置，利用YTJ型巖層探測(cè)儀，每隔兩天進(jìn)行一次鉆孔窺視，并將所測(cè)情況進(jìn)行歸納分析。由鉆孔窺視結(jié)果可知，在巷道穩(wěn)定性較好的區(qū)段，頂板完整性較好，未出現(xiàn)明顯離層、裂隙和破碎帶；在存在淋水的穩(wěn)定頂板區(qū)段，觀測(cè)初期，巷道頂板完整性較好，隨著時(shí)間的延續(xù)，在巷道頂部上方0.4～3.2m處出現(xiàn)明顯的裂隙和巖體碎屑，說(shuō)明水對(duì)巖體破壞影響較大；在存在淋水的頂板破碎區(qū)段巷道，頂板淺部圍巖穩(wěn)定性較差，在巷道頂部上方4.5m范圍內(nèi)存在3個(gè)明顯的破碎帶，且大量裂隙縱橫發(fā)育，水流沿裂隙不斷沖刷巖體。隨著時(shí)間的延續(xù)，頂板破碎程度進(jìn)一步增大，破碎帶附近出現(xiàn)明顯的頂板離層和破碎，說(shuō)明該區(qū)段巷道頂板穩(wěn)定性較差，需采取針對(duì)性措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。裂隙空間分布規(guī)律見(jiàn)圖1。由圖1可知，隨著不斷向頂板深部延伸，裂隙空間分布逐漸降低，裂隙主要分布在巷道頂部上方3m范圍內(nèi)。

圖1 3302工作面回風(fēng)順槽頂板裂隙空間分布規(guī)律

2 頂板冒漏機(jī)理分析

2.1 應(yīng)力作用

理論研究認(rèn)為，巷道失穩(wěn)破壞的根本原因是原始應(yīng)力的改變導(dǎo)致。巷道開(kāi)挖后原巖應(yīng)力遭受破壞，頂板應(yīng)力重新分布，在這期間是應(yīng)力均衡→不均衡→均衡的過(guò)程，具體表現(xiàn)是巖體由穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)失穩(wěn)后逐步趨于穩(wěn)定。在這期間，巷道頂板因巖性、地質(zhì)水文等因素的影響造成頂板垮冒；另外，巷道開(kāi)挖還會(huì)造成巷道圍巖局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成應(yīng)力集中區(qū)范圍內(nèi)的巖體更加破碎，同時(shí)在礦山壓力、水理作用和采掘擾動(dòng)等相關(guān)因素的影響下出現(xiàn)頂板破壞和冒漏。

2.2 巷道圍巖特性

3302工作面回風(fēng)巷直接頂和偽頂巖性為泥巖，基本頂為泥巖和粉砂巖?？傮w來(lái)說(shuō)頂板巖體結(jié)構(gòu)完整性較差，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，強(qiáng)度較低，且受到地質(zhì)構(gòu)造帶的影響，局部頂板變得更加破碎，抗風(fēng)、水作用能力大幅度下降。根據(jù)頂板分類(lèi)可知，該直接頂屬于不穩(wěn)定頂板，在采掘過(guò)程中易出現(xiàn)頂板松散冒漏。

2.3 水文地質(zhì)條件的影響

在巷道掘進(jìn)期間，揭露落差不大于4m的正斷層多個(gè)，且頂板砂巖屬于含水層，對(duì)于頂板的管理和控制極為不利。理論研究表明，斷層的存在會(huì)造成附近頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，同時(shí)可導(dǎo)通上部含水層，造成松軟破碎巖體在水理作用下變得更加松軟。鉆孔窺視結(jié)果表明，破碎頂板或者淋水的破碎頂板巖層淺部和深部裂隙發(fā)育程度均遠(yuǎn)高于完整頂板裂隙發(fā)育，且淋水的存在可長(zhǎng)時(shí)間使頂板破壞程度不斷加劇。分析認(rèn)為，巷道頂板泥巖含有30%以上的伊利石、蒙脫石等粘土礦物質(zhì)，該類(lèi)巖體遇水在水理作用下易出現(xiàn)軟化、崩解和破壞，這也是導(dǎo)致頂板強(qiáng)度降低的重要因素，是引起頂板垮冒的直接誘因。

2.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性

支護(hù)理論認(rèn)為，合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)是保證巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵，尤其對(duì)于深部軟巖巷道而言，鑒于該類(lèi)巷道的復(fù)雜性，支護(hù)結(jié)構(gòu)的確定應(yīng)更加慎重。3302工作面回風(fēng)巷采區(qū)“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)，其參數(shù)的確定未能充分考慮到井下條件的復(fù)雜性，過(guò)于理想化，在掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)后的巷道曾出現(xiàn)頂板小范圍冒漏現(xiàn)象，故對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行支護(hù)的巷道冒漏區(qū)域維修要采取合理的方式進(jìn)行。

3 冒頂區(qū)加固維護(hù)處理

3302工作面回風(fēng)巷原支護(hù)方式為“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)。頂板采用規(guī)格為Φ20×2500mm的高強(qiáng)度錨桿和規(guī)格為Φ17.8×7500mm的低松弛螺紋鋼進(jìn)行支護(hù)，幫錨桿采用規(guī)格Φ18×1800mm的普通錨桿支護(hù)；頂錨桿間排距為750mm×750mm，頂邊錨桿與垂直方向呈20°角布置。頂板沿中心線布置一根錨索，錨索間排距為1500mm×1500 mm；幫錨桿間排距為750mm×750mm，幫邊錨桿與水平方向呈20°布置；同時(shí)，頂板和兩幫在打設(shè)錨桿和錨索前需鋪設(shè)金屬菱形網(wǎng)和W鋼帶。在掘進(jìn)期間發(fā)現(xiàn)，采用該支護(hù)方式可確保大部分巷道保持較好的穩(wěn)定性，但是對(duì)于存在頂板破碎嚴(yán)重或者是長(zhǎng)期淋水的區(qū)域，偶爾會(huì)出現(xiàn)頂板小范圍垮冒現(xiàn)象，經(jīng)研究決定采用加密支護(hù)和化學(xué)注漿的方式進(jìn)行加固該部分巷道頂板。

3.1 加密支護(hù)

鑒于3302工作面回風(fēng)巷頂板支護(hù)效果不好，同時(shí)結(jié)合該巷道頂板垮冒所引起的原因，決定對(duì)頂板破碎區(qū)域進(jìn)行加密支護(hù)。具體為：選擇規(guī)格Φ20×2500mm的高強(qiáng)錨桿作為頂板支護(hù)主體，錨桿間排距為600mm×600mm，錨索間排距為1200mm×1200mm，兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)不變，頂邊錨桿和幫邊錨桿角度不變，菱形網(wǎng)和鋼帶規(guī)格不變（見(jiàn)圖2）。

圖2 3302工作面回風(fēng)巷頂板破碎帶支護(hù)方案

3.2 化學(xué)注漿

對(duì)于斷層附近、淋水嚴(yán)重或者頂板破碎程度較嚴(yán)重的地帶可注射馬麗散進(jìn)行加固。利用瑪麗散進(jìn)行加固的優(yōu)點(diǎn)是加固時(shí)間短、工藝簡(jiǎn)單、加固效果好，加固后的巖體具有良好的柔韌性，可有效地承擔(dān)所受應(yīng)力，同時(shí)還可以有效填充導(dǎo)水裂隙，可對(duì)水流起到阻擋作用。馬麗散加固頂板鉆孔布置見(jiàn)圖2。鉆孔直徑為42mm，孔間距為1200mm，孔深為3～5m，鉆孔沿巷道迎頭方向打設(shè)，仰角分別為0°和15°，水平夾角為75°，注漿量根據(jù)頂板情況進(jìn)行確定，注漿壓力不低于10MPa?；瘜W(xué)注漿加固后仍然采用“錨網(wǎng)索”加密支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以確保頂板的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

通過(guò)這些措施的實(shí)施，有效地解決了頂板垮冒問(wèn)題，同時(shí)還可一定程度的控制頂板淋水問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

3302工作面回采順槽沿頂板掘進(jìn)，頂板巖性為泥巖和粉砂巖，泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，粉砂巖為地下含水層。受到地質(zhì)條件的影響，該工作面回風(fēng)巷在掘進(jìn)期間曾出現(xiàn)多次不同程度的頂板垮冒現(xiàn)象。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和頂板鉆孔窺視掌握了頂板破壞規(guī)律，結(jié)合實(shí)際從應(yīng)力分布、支護(hù)結(jié)構(gòu)、頂板巖性等多個(gè)方面對(duì)該巷道的頂板垮冒因素進(jìn)行了分析，采用加密支護(hù)和化學(xué)注漿對(duì)頂板進(jìn)行加固。通過(guò)該措施的實(shí)施有效地解決了頂板安全問(wèn)題，對(duì)于類(lèi)擬巷道防止頂板垮冒提供了參考。

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