1207 回采巷道泥巖頂板冒頂的治理技術

任文華

（山西汾西礦業南關煤業有限責任公司，山西 靈石 031304）

在煤巷的掘進過程中，由于地下水分與巷道圍巖之間的相互作用，導致部分圍巖的強度、承載能力發生急劇變化，圍巖的變形量增大，出現膨脹、軟化、強度降低等一系列變化，這大大增加了巷道的冒頂隱患，對巷道的支護提出了更高的要求。以往的很多研究表明，水與巖石之間緩慢的化學作用對巖體的力學參數的影響很多情況下比單純的物理作用來得更直接，隨著時間的推移，對巖石造成的損傷甚至比力學因素更大[1-3]。本文以南關煤礦1207 回采巷道為工程背景進行研究，該巷道頂板為親水性很強的泥巖，在水的作用下，頂板崩解和軟化，巷道掘進至距開口位置850 m 處經過富水性區域，錨網索腐蝕嚴重，頂板頻繁發生冒頂事故。

1 工程概況

1207 巷道沿2#煤層掘進，煤層較穩定，平均煤厚2.40 m。區內地層產狀發育情況對工作面掘進有一定影響。1207 巷道水文地質條件中等，標高介于464～584 m 之間，巷道涌水主要為頂板砂巖裂隙水、采空區積水，預計正常涌水量為5 m3，最大涌水量為35 m3。巷道掘進至里程850 m 將進入采空區積水探水線，采空區積水量約11 200 m3，積水標高為505 m。1207 巷道斷面為矩形，凈寬4.4 m，凈高2.6 m，凈斷面積為11.44 m2。巷道的基本頂為黑白色互層粉砂巖，厚度3.2 m，直接頂為泥巖，厚度1.4 m。直接底為黑白色細粒砂巖，厚度2.5 m，基本底為泥巖，厚度2.5 m。

1207 巷道掘進總長度為1221 m，經過富水性區域的巷道總長可達200 m。受此富水性區域的影響，巷道頂板的含水量大，巷道濕度高，圍巖的穩定性大大下降，部分頂板出現了冒頂現象，錨網錨索的銹蝕嚴重，工人進行了多次返修。巷道的冒頂和支護物腐蝕情況分布如圖1、圖2。

圖1 冒頂段沿巷道軸向剖面圖

圖2 錨網索銹蝕圖

2 巷道冒頂原因分析

2.1 頂板泥巖組成成分分析

在實驗室使用X 射線衍射儀對1207 巷道頂板巖樣進行分析。礦物分析結果顯示：巷道頂板泥巖中黏土礦物占總礦物成分的77%，長石占11%，石英占10.7%，菱鐵礦占1.5%，方解石占0.6%，還有一些剩余的其他成分。其中黏土礦物的主要成分為高嶺石，約占42%，其余成分依次為蒙脫石，占18.6%，伊利石，占6.9%，綠泥石，占6.0%，還有伊蒙混石，占5.3%。黏土中的主要成分高嶺石在干燥的時候有很強的吸水性，在潮濕的環境里具有可塑性。黏土中含有的蒙脫石吸水后體積會迅速膨脹成為糊狀，在水中水化后，其體積的增加量可達到50%。

通過對1207 頂板泥巖的組成成分分析可以看出，頂板泥巖的黏土礦物含量較高，含有較多蒙脫石和伊蒙混石，具有很強的親水性，在遇到水或在潮濕的環境中具有一定的膨脹性。頂板泥巖樣本的組成成分分析得到的X 射線衍射圖譜如圖3。

圖3 黏土X 射線衍射圖譜

2.2 水分對巷道圍巖軟化變形的分析

巖石由多種礦物成分組成，種類不同的巖石所含的礦物成分也有所不同，所以不同種類的巖石在受水的影響下其強度的變化也不相同。在水的軟化作用下，大部分巖石強度會出現不同程度的降低[4]。一般巖石浸水飽和后強度降低的程度用其軟化系數（KR）來表示，軟化系數越小，巖石的軟化性越強[5]。在實驗室內對取回的1207 巷頂板泥巖樣本進行巖石力學相關的測定，以探明頂板泥巖在不同含水率下其軟化系數和彈性模量的變化。

試驗結果顯示，1207 巷頂板泥巖受水影響較大，隨著巖石含水率的增加，其軟化系數和彈性模量顯著減小。試驗結果如圖4。從圖中可以看出，當泥巖的含水率從2.6%增加到5.8%時，它的軟化系數和彈性模量分別衰減了78%和75%。

圖4 頂板泥巖的力學參數與含水率的關系

2.3 巷道冒頂原因

通過研究發現，由于1207 巷處于富水性區域，再加上圍巖二次應力的改變與調整引起的巷道周圍巖體的變形和裂隙出現，導致頂板巖石的含水量大大增加，而頂板由親水性很強且軟化系數較低的泥巖組成，所以在水的影響下巷道頂板圍巖強度大大降低。對于該條巷道，若不加強對圍巖的支護和管理，極易發生冒頂等事故。

3 冒頂區巷道綜合治理方案

巷道原有單根錨桿點支護不能滿足圍巖穩定要求，為了將其擴展成為面支護，巷道頂板的自然平衡拱下方的圍巖采用“預應力錨桿聯合鋼帶+金屬網支護”。這樣可以有效地將平衡拱下方的巖體組成一個新的次生承載層，減少了承載層下方巖層的錯動、離層和垮落。

巷道的最大水平應力方向與巷道軸線方向垂直時，巷道頂幫角上方塑性區范圍最大。為了最大限度減小頂幫角斜外側破碎區域的擴展，決定將錨索以一定的角度傾斜布置。由于頂板為軟弱泥巖，為了對頂板施加更穩定的支護力，增加了錨索的長度，與錨桿相比，錨索的柔性讓其更能適應頂板幫角的高剪應力區域。此外為了增加預應力的擴散范圍，增加了錨索的支護密度以達到最佳的支護效果。錨索將錨桿錨固的巖層區域與頂板上部更深處的巖層錨固在一起，讓其之間的巖體形成一個壓縮區，與錨桿錨索一起限制頂板上方離層的發育。

因為巷道圍巖多為松軟泥巖，錨桿錨索可能會缺少施力基礎而失去支護效果，所以決定在巷道的原生裂隙發育帶注漿以提高圍巖穩定性。在破碎區低壓注漿同時，在塑性區高壓注漿，為主承載區和次承載區提供穩定的錨固點。

綜合上述分析，最后決定對1207 巷泥巖頂板采用“高強度預應力錨桿和預應力錨索、鋼帶以及金屬網配合注漿”的聯合支護方式，如圖5。

圖5 改進的支護方案示意圖

4 工程監測

支護方案實施后，對1207 巷道冒頂段共布置三組變形觀測站，進行為期50 d 的現場工程實測，將實測所得到的數據繪制成曲線如圖6。從圖可看出，頂底板的最大移近量穩定在138 mm，相比于改進前的801 mm的最大移近量得到了極大的改善，說明改進后的支護方案可以適應1207 巷道圍巖條件，對巷道圍巖的控制效果滿足安全生產的要求。

圖6 頂底板移進量

5 結論

（1）回采巷道經過富水性區域，頂板泥巖的強度大大降低，再加上巷道原有支護條件不能為巷道提供有效的支護，這些因素是導致巷道發生冒頂的主要原因。

（2）針對該巷道冒頂的原因，提出“高強度預應力錨桿和預應力錨索、鋼帶以及金屬網配合注漿”的聯合支護方式，現場工程監測表明巷道圍巖控制效果較好。