軟巖巷道頂板冒漏機理分析及處理措施

王培榮

（山西煤炭進出口集團有限公司 大平煤礦，山西 襄垣046200）

頂板事故作為礦井五大自然災害之一，雖不像瓦斯、煤塵爆炸和透水事故會造成群死群傷，但頂板事故具有發生頻率高的特點，約占礦井總死亡人數的50%以上。尤其是隨著礦井不斷向下延伸，巷道支護難度不斷加大，頂板事故發生率有增高趨勢。軟巖巷道不同于普通巷道，該類巷道圍巖強度低、自承載能力差、節理裂隙發育程度高、巖體內聚力低，易受到礦山壓力、采掘擾動和風、水作用下出現變形和破壞，故軟巖巷道支護一直是礦井安全生產的重要難題。現場生產表明，軟巖巷道最常見的問題是頂板離層、下沉和冒漏，對于處理軟巖巷道頂板失穩常采取的處理方法為架棚支護、注射物理化學加固劑等，但這些方法的使用往往因地質條件或者現場條件的限制，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。受地質構造影響，回采順槽頂板比較破碎，在掘進過程中多次出現小范圍頂板冒漏現象。為了更好地指導巷道掘進，確保采掘期間巷道的穩定性，決定對本礦3302工作面軟巖順槽頂板破壞機理進行研究和分析，并根據實際提出頂板冒漏處理方案。

1 軟巖巷道頂板失穩現場觀測

1.1 巷道概況

3302工作面回風順槽沿3＃煤層頂板掘進，屬煤巷，南鄰3301工作面采空區，巷道設計規格為4.5m×3.7m，設計長度為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f＝0.7～1.3，整體屬于松軟易碎煤層。順槽頂底板巖性較簡單，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，泥巖節理裂隙發育程度較高；基本頂為厚5.6m的泥巖～粉砂巖，為微弱含水層。在巷道掘進期間，共揭露正斷層4個，落差均小于4m，不排除隨著巷道的掘進，還會揭露斷層等地質構造。在順槽掘進期間會經常性的出現小范圍頂板冒漏現象，尤其是在過斷層期間表現更為明顯，故頂板管理難度較大。

1.2 頂板失穩實測

通過掘進期間對3302工作面回風順槽的觀測，發現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，圍巖完整性和強度較高地段巷道頂板失穩破壞程度較輕；階段性是指巷道出現變形破壞具有一定的時間效應，在巷道開挖初期，頂板變形較劇烈，隨著時間的推移，頂板圍巖變形逐漸減弱直至穩定。但是對于存在頂板淋水現象時，巷道頂板巖體易發生水理作用致使巖體出現崩解和破壞，圍巖將長期保持某一相對穩定的變形破壞速度。

資料顯示，對于軟巖巷道，頂板裂隙的出現和發展是隨時間不斷加劇的過程，且頂板裂隙發育是由巷道頂板表面向深部逐漸擴展的，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，分別在回風順槽和運輸順槽布置兩個鉆孔，分別位于3302回風順槽300m、600m和3302運輸順槽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型巖層探測儀，每隔兩天進行一次鉆孔窺視，并將所測情況進行歸納分析。由鉆孔窺視結果可知，在巷道穩定性較好的區段，頂板完整性較好，未出現明顯離層、裂隙和破碎帶；在存在淋水的穩定頂板區段，觀測初期，巷道頂板完整性較好，隨著時間的延續，在巷道頂部上方0.4～3.2m處出現明顯的裂隙和巖體碎屑，說明水對巖體破壞影響較大；在存在淋水的頂板破碎區段巷道，頂板淺部圍巖穩定性較差，在巷道頂部上方4.5m范圍內存在3個明顯的破碎帶，且大量裂隙縱橫發育，水流沿裂隙不斷沖刷巖體。隨著時間的延續，頂板破碎程度進一步增大，破碎帶附近出現明顯的頂板離層和破碎，說明該區段巷道頂板穩定性較差，需采取針對性措施進行加強支護。裂隙空間分布規律見圖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。

圖1 3302工作面回風順槽頂板裂隙空間分布規律

2 頂板冒漏機理分析

2.1 應力作用

理論研究認為，巷道失穩破壞的根本原因是原始應力的改變導致。巷道開挖后原巖應力遭受破壞，頂板應力重新分布，在這期間是應力均衡→不均衡→均衡的過程，具體表現是巖體由穩定狀態經失穩后逐步趨于穩定。在這期間，巷道頂板因巖性、地質水文等因素的影響造成頂板垮冒；另外，巷道開挖還會造成巷道圍巖局部應力集中現象，造成應力集中區范圍內的巖體更加破碎，同時在礦山壓力、水理作用和采掘擾動等相關因素的影響下出現頂板破壞和冒漏。

2.2 巷道圍巖特性

3302工作面回風巷直接頂和偽頂巖性為泥巖，基本頂為泥巖和粉砂巖。總體來說頂板巖體結構完整性較差，巖體節理裂隙發育程度較高，強度較低，且受到地質構造帶的影響，局部頂板變得更加破碎，抗風、水作用能力大幅度下降。根據頂板分類可知，該直接頂屬于不穩定頂板，在采掘過程中易出現頂板松散冒漏。

2.3 水文地質條件的影響

在巷道掘進期間，揭露落差不大于4m的正斷層多個，且頂板砂巖屬于含水層，對于頂板的管理和控制極為不利。理論研究表明，斷層的存在會造成附近頂板出現破碎現象，同時可導通上部含水層，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育程度均遠高于完整頂板裂隙發育，且淋水的存在可長時間使頂板破壞程度不斷加劇。分析認為，巷道頂板泥巖含有30%以上的伊利石、蒙脫石等粘土礦物質，該類巖體遇水在水理作用下易出現軟化、崩解和破壞，這也是導致頂板強度降低的重要因素，是引起頂板垮冒的直接誘因。

2.4 支護結構的合理性

支護理論認為，合理的支護結構是保證巷道穩定性的關鍵，尤其對于深部軟巖巷道而言，鑒于該類巷道的復雜性，支護結構的確定應更加慎重。3302工作面回風巷采區“錨網索”聯合支護，其參數的確定未能充分考慮到井下條件的復雜性，過于理想化，在掘進過程中支護后的巷道曾出現頂板小范圍冒漏現象，故對于已經進行支護的巷道冒漏區域維修要采取合理的方式進行。

3 冒頂區加固維護處理

3302工作面回風巷原支護方式為“錨網索”聯合支護。頂板采用規格為Φ20×2500mm的高強度錨桿和規格為Φ17.8×7500mm的低松弛螺紋鋼進行支護，幫錨桿采用規格Φ18×1800mm的普通錨桿支護；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，頂板和兩幫在打設錨桿和錨索前需鋪設金屬菱形網和W鋼帶。在掘進期間發現，采用該支護方式可確保大部分巷道保持較好的穩定性，但是對于存在頂板破碎嚴重或者是長期淋水的區域，偶爾會出現頂板小范圍垮冒現象，經研究決定采用加密支護和化學注漿的方式進行加固該部分巷道頂板。

3.1 加密支護

鑒于3302工作面回風巷頂板支護效果不好，同時結合該巷道頂板垮冒所引起的原因，決定對頂板破碎區域進行加密支護。具體為：選擇規格Φ20×2500mm的高強錨桿作為頂板支護主體，錨桿間排距為600mm×600mm，錨索間排距為1200mm×1200mm，兩幫錨桿支護參數不變，頂邊錨桿和幫邊錨桿角度不變，菱形網和鋼帶規格不變（見圖2）。

圖2 3302工作面回風巷頂板破碎帶支護方案

3.2 化學注漿

對于斷層附近、淋水嚴重或者頂板破碎程度較嚴重的地帶可注射馬麗散進行加固。利用瑪麗散進行加固的優點是加固時間短、工藝簡單、加固效果好，加固后的巖體具有良好的柔韌性，可有效地承擔所受應力，同時還可以有效填充導水裂隙，可對水流起到阻擋作用。馬麗散加固頂板鉆孔布置見圖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，仰角分別為0°和15°，水平夾角為75°，注漿量根據頂板情況進行確定，注漿壓力不低于10MPa。化學注漿加固后仍然采用“錨網索”加密支護進行補強支護，以確保頂板的穩定性和強度。

通過這些措施的實施，有效地解決了頂板垮冒問題，同時還可一定程度的控制頂板淋水問題。

4 結語

3302工作面回采順槽沿頂板掘進，頂板巖性為泥巖和粉砂巖，泥巖節理裂隙發育程度高，粉砂巖為地下含水層。受到地質條件的影響，該工作面回風巷在掘進期間曾出現多次不同程度的頂板垮冒現象。通過現場實測和頂板鉆孔窺視掌握了頂板破壞規律，結合實際從應力分布、支護結構、頂板巖性等多個方面對該巷道的頂板垮冒因素進行了分析，采用加密支護和化學注漿對頂板進行加固。通過該措施的實施有效地解決了頂板安全問題，對于類擬巷道防止頂板垮冒提供了參考。

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