大巷頂板急變形原因及薄噴支護技術研究

李海洋

（晉城煤業集團趙莊煤業，山西 晉城 048000）

1 工程背景

1104 回風大巷為趙莊煤業一盤區主要大巷之一，服務年限約10 年，在3#煤層中掘進，設計寬度5 m，高度4.5 m，采用錨索網支護方式。頂板設計全錨索支護，錨索長6.4 m，排距1200 mm，每排5 根錨索，間距1100 mm，頂角錨索距幫300 mm，預緊力不小于250 kN。頂板支護示意如圖1。

巷道直接頂為3 m 厚砂質泥巖層，含親水礦物，節理裂隙豐富；基本頂為6.2 m 厚細粒砂巖層，強度高，十分穩定。雖然施工錨索期間預緊力足夠，但巷道掘進后1～2 個月內即出現頂板破碎鼓包，平均下沉量在300 mm 以上，下沉量較小區域錨索處形成凹陷，下沉量較大區域錨索拉斷隨頂板鼓出。

1104 回風大巷埋深690 m，地質力學實測表明，最大垂直應力為17.25 MPa，最大水平主應力為9.93 MPa，最小水平主應力5.55 MPa，屬于中等偏低。頂板出現急變形充分說明是3 m 厚的砂質泥巖直接頂本身穩定性發生了變化。

圖1 頂板全錨索支護示意圖

2 頂板急變形原因分析

從頂板分區域取下3 塊完整的砂質泥巖巖塊，塊體要求長寬高均不小于15 cm，用保鮮膜包裹，運輸上井后送回物理力學實驗室。

2.1 遇水崩解

對巖塊的外觀觀察表明，干燥狀態下巖塊致密、堅硬，強度較高，肉眼觀察不到明顯裂隙。但遇水后，水迅速沿著巖塊間微裂隙進入，將整塊巖塊分割成不同大小的小塊，如圖2。

圖2 巖塊吸水后擾動崩解示意圖

2.2 巖性分析

采用D8 ADVANCE X 射線衍射儀進行測試分析，結果表明：石英平均占比74%，高嶺土占20%，蒙脫石占3%，綠泥石占2%，二重偏高嶺土為1%。

高嶺土、蒙脫石、綠泥石和二重偏高嶺土均為易吸水膨脹礦物，約占26%，其中又以蒙脫石吸水能力最強，其分布在砂質泥巖內部的節理裂隙中。

2.3 強度測試

砂質泥巖遇水崩解，不得不在干燥狀態下切割磨平，加工標準試樣。強度測試結果表明：強度數據離散性大，最高76 MPa，最低12 MPa。分析認為，易吸水膨脹礦物并不是均勻地分布在砂質泥巖中，而是存在于砂質泥巖內部節理裂隙中，因此不含節理裂隙的砂質泥巖塊強度很高，含節理裂隙的砂質泥巖塊強度很低。

2.4 頂板破碎風化原因分析

頂板砂質泥巖層本身強度很高，但內部存在節理裂隙，將巖體切割為小巖塊。由于節理裂隙非常細微，在干燥狀態下，巖體致密堅硬，但一旦遇水，水進入節理裂隙中，易吸水礦物迅速膨脹，撐開裂隙，將完整巖體切割成小塊塊體，同時體積增大，表現為巷道頂板急劇破碎下沉。

正常情況下，巷道頂板風化作用非常緩慢，但掘進后頂板施工錨索打鉆過程中，水進入頂板中，引起砂質泥巖破壞，因此，在短時間內巷道就出現了明顯的頂板下沉鼓包現象。

3 “柔性薄噴+架棚”支護方案

3.1 柔性薄噴技術

頂板砂質泥巖層有遇水快速變形特征，必須噴漿封閉，防止巷道服務期間頂板風化破壞。

3.1.1 新型柔性薄噴材料

以往多采取噴射混凝土方式，主要原料為沙子、水泥、水，強度C20，厚度不小于100 mm，存在以下問題：（1）材料運輸量大。水灰比低，噴涂厚度大，每立方需要干料約2～3 t，回風巷運輸條件差，無法滿足材料運輸要求。（2）人工勞動強度大，回彈率高，材料浪費多。（3）粉塵濃度大，作業環境差，嚴重危害作業人員健康。（4）抗變形能力差。混凝土呈脆性，受壓容易大片開裂、脫落[1-2]。

研發了一種新型柔性薄噴材料，分為A 組分和B 組分。A 型為液體狀，桶裝，主要成分為水性聚合樹脂；B 組分為固態粉末狀，主要成分為水硬性膠凝材料，加入一定的減水劑、速凝劑配制而成。使用比例為質量比A:B=1:1，混合攪拌2～3min，噴涂厚度一般為5～10 mm。漿液性能參數見表1。

表1 新型柔性薄噴材料性能參數表

3.1.2 噴涂設備

采用專用的LZBQ2/1.8 單缸氣動噴涂泵，尺寸長×寬×高=1500 mm×400 mm×1000 mm，質量120 kg，輸出壓力1.8 MPa，泵送最遠距離約30～40m，噴涂流量12 L/min。LZBQ2/1.8 氣動噴涂泵外觀如圖3。

圖3 LZBQ2/1.8 氣動噴涂泵外觀

3.1.3 現場噴涂工藝

（1）設備準備。將設備擺放到噴涂施工位置，連接管路配件，打水試驗是否運轉正常。

（2）頂板清理、厚度標記。噴涂厚度較薄，頂板有雜物可能遮擋浪費材料，必須清理。然后在頂板上楔入一排釘子，外露長度10 mm，便于噴涂過程中掌握噴涂厚度。

（3）漿液配置。按照1:1 質量比，先放入1 桶A 組分，再放入1 袋B 組分，然后快速攪拌混合均勻。注意攪拌時間不可過長，防止漿液稠化無法泵送，一般攪拌2～3 min。

（4）一次整體快速噴涂。在混合管出口安裝氣閥，用于噴射時霧化漿體。設計噴涂厚度為5～10 mm，每罐料必須在10 min 內噴涂完畢，每隔10 min 噴涂4～5 m2。現場噴涂實景如圖4。

圖4 現場噴涂實景

（5）二次噴涂。針對一次整體快速噴涂遺留區域進行補噴。

3.2 架棚支護方案

由于錨索施工打鉆必須用水，所以1104 回風大巷不適合采用錨索支護形式，改用架棚支護方案。

架棚參數：棚間距800 mm，相鄰棚間拉桿連鎖。棚腿分兩段，采用36U 型鋼。棚梁為12 號礦用工字鋼，兩端采用36 號U 型鋼作為棚腿支護的卡槽。棚與巷道之間采用背板背緊背牢，頂板來壓時增加單體柱加強支護。架棚支護示意圖如圖5。

圖5 架棚支護示意圖

4 效果考察

從噴涂覆蓋情況看，7～10 mm 噴涂厚度為最優選擇，頂板平整區域可采用7～8 mm，頂板不平整區域可采用10 mm 噴涂厚度，既可以保障覆蓋效果，又可以避免材料浪費。

（1）安全生產效果

在噴涂區域和未噴涂區域進行效果考察對比。經過6 個月觀察發現，噴涂區域頂板完整，下沉量不超過50 mm，集中在掘進后2 個月內，之后基本穩定不再變化；而未噴涂區域頂板十分破碎，鼓包形成網兜，下沉量約250～400 mm，持續變形，給巷道頂板安全管理帶來極大困難。

（2）經濟效益分析

未噴涂情況下，巷道服務期間需要2 次挑頂翻修、重新支護，每米巷道維修費用在5000 元左右，2 次合計1 萬元/m，且挑頂風險極大；噴涂后不再需要翻修，每米巷道噴涂面積5 m2，噴涂材料和施工成本約500 元/m2，則頂板噴涂成本約2500 元/m，僅為挑頂翻修成本的1/4。

5 結論

（1）1104 大巷頂板砂質泥巖節理裂隙當中含有26%左右的易吸水膨脹礦物，遇水或者長期風化作用下發生膨脹碎裂，是頂板急變形的主要原因。

（2）新型柔性噴涂材料最大抗拉強度＞2.5 MPa，噴涂厚度約5～10 mm，粘接強度2.7 MPa，克服了混凝土噴涂方式噴涂厚度大（＞100 mm）、材料運輸量大、回彈率高、作業環境差、易開裂等問題。

（3）噴涂試驗結果表明，噴涂區域頂板下沉量小于50 mm，而未噴涂區域頂板下沉量高達250～400 mm，噴涂成本約2500 元/m，僅為不噴涂情況下挑頂翻修成本的1/4。