含泥巖夾層巷道圍巖控制技術

崔世榮

(山西呂梁中陽付家焉煤業有限公司，山西 呂梁 033000)

在煤炭的形成過程中，由于受到外部條件的影響，往往難以形成單一穩定的煤層，常常會出現不同的地質構造、煤巖互層現象，直接影響煤炭的安全高效生產[1-3]。其中煤炭中含泥巖現象最為常見，不但會降低礦井整體效益，而且會對巷道圍巖穩定性造成影響，易出現巷道片幫、幫鼓甚至層位錯動等現象，威脅到礦井的安全生產[4-5]。

1 工程概況

某礦主采5-2煤，煤層平均厚度6.2 m，傾角1～3°，在5-2煤層中下部存在1層軟弱的泥巖夾層，厚度50～200 mm。煤層的頂板巖性以砂質泥巖和泥巖為主，少量為粉砂巖、細粒砂巖和中粒砂巖;底板主要以細粒砂巖、粉砂巖為主，煤層與頂底板明顯接觸。85203回采工作面位于該礦八盤區，工作面采用三巷布置，相鄰工作面為85201。85203回風巷寬度為5.8 m，高度為4.4 m，斷面面積25.52 m2，其中巷道頂部采用直徑18 mm的鋼筋托梁+鋼筋網片+錨桿+錨索聯合支護，幫部采用直徑18 mm的鋼筋托梁+鋼塑復合網+玻璃鋼錨桿聯合支護。工作面回采過程中發現回風巷變形破壞嚴重，出現了幫鼓、錯動、脫錨等現象，如圖1所示，嚴重影響了礦井安全生產。

圖1 巷道破壞形態

2 軟弱夾層礦物成分分析

為了掌握5-2煤層中的黃色泥巖夾層的礦物成分，從正在回采的85203工作面中提取夾層巖樣，進行礦物成分X衍射分析。采用型號D/max-2500的X衍射儀，采用基本強度對比法對礦物成分進行分析，試驗條件選擇實驗室溫25 ℃、濕度52%、電壓40 kV、電流200 m。礦物成分如表1所示。由X衍射礦物成分分析表可知，85203工作面煤層里的夾層泥巖蒙脫石含量達55%以上，高嶺石含量達24%。該夾層是以蒙脫石和高嶺石為主要成分的粘土礦物泥巖。根據礦物特性，高嶺石具有吸水軟化性和可塑性，蒙脫石具有很強的遇水膨脹性和軟化性。正是由于這兩種礦物的存在，在巖層長期受到巷道潮濕環境的影響下，將為發生巷幫錯動、片幫等變形現象提供有力的外部條件。

表1 X衍射礦物成分含量

3 巷道圍巖內部結構特征與破壞范圍測定

3.1 窺視鉆孔布置

為了進一步掌握巷道的變形破壞特征，在85203工作面回風巷內選取觀測點對巷道圍巖進行了窺視。在巷道頂板及兩幫內共布置9個窺視鉆孔，其中頂板1～3號鉆孔深度為10 m，1號、3號鉆孔與巷道軸線夾角60°，2號鉆孔垂直頂板，兩幫4～9號鉆孔深度為3 m，6號和9號鉆孔與巷道軸線夾角30°，具體鉆孔布置如圖2所示。

圖2 窺視鉆孔布置

3.2 窺視結果分析

由于篇幅限制，圖3選取了不同鉆孔典型的窺視圖進行分析。1～3號鉆孔窺視表明，孔內軸向裂隙實際上是巷道圍巖內部的垂直裂隙。巷道頂板距孔口0～3 m，圍巖內部裂隙逐步開始發育;在距孔口3～6 m范圍內，圍巖內部垂直裂隙發育程度比較高，3號孔發育程度明顯高于1號孔;距孔口6～8 m，圍巖內部垂直裂隙有收斂閉合的趨勢，說明巷道頂板破壞區高度在8 m范圍以內。

圖3 鉆孔窺視

巷道正幫進行窺視鉆孔施工時，出現了塌孔和潰孔現象，導致7～9號鉆孔內部結構發生破壞無法觀測。巷道副幫4～6號鉆孔在1～2.5 m范圍內巷道破壞明顯，出現了明顯的裂隙，但是大于2.5 m以后的圍巖未見明顯破壞。考慮到巷道兩幫破壞的對稱性，巷道幫部破壞范圍為0～2.5 m，巷道破壞范圍如圖4所示。

圖4 巷道破壞范圍示意

4 巷道支護方案優化

根據以上分析結果，決定采取“泥巖表面封閉防止軟化+深部加固阻滑”支護方案，對該礦5-2煤工作面回風巷支護方案進行優化，如圖5所示。由于巷道頂板采用D17.8 mm×6 000 mm錨索，間排距2 m×3 m，采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿D20 mm×2 400 mm+D6.5 mm焊接鋼筋網；巷道回采幫采用玻璃鋼錨桿+塑料復合網支護，玻璃鋼錨桿D27 mm× 2 400 mm；巷道非回采幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿D20 mm×2 400 mm + D6.5 mm焊接鋼筋網+D16 mm焊接鋼筋梁+夾層補強支護螺紋鋼錨桿D22 mm×4 000 mm。補強支護：由夾層附近塑性區達3 m，設1排長度4 m、間距2 m的長錨桿加強支護。每2根長錨桿中間補1根2.4 m的錨桿，配套1條橫向鋼筋梁，加強對夾層附近變形的整體控制。另外對巷道內夾層采取噴射混凝上或防滲抗裂砂漿進行封閉。

圖5 巷道支護設計(mm)

5 應用效果分析

為了大斷面含泥巖夾層巷道支護效果，對85205回風巷進行了圍巖移近量監測，觀測斷面布置于工作面前方100 m，工作面每天推進8 m，共能持續觀測13 d，巷道圍巖變形得到了很好的控制，頂底板移近量最大127 mm，兩幫移近量最大148 mm，未見巷道錯動變形、明顯片幫、玻璃鋼錨桿斷裂等破壞現象，巷道整體處于穩定狀態，如圖6所示。

圖6 巷道超前100 m圍巖移近量變化

6 結 語

1) 泥巖夾層中所含礦物成分特性影響、甚至決定著巷道的穩定性。5-2煤軟弱夾層中主要有高嶺石和蒙脫石礦物，與水充分接觸，泥巖逐漸軟化，受壓后產生流變，在外部條件作用下，以泥巖為分界，巷幫極易發生錯動變形。

2) 通過對巷道圍巖進行窺視，確定巷道頂板破壞深度為0～8 m，兩幫破壞深度為0～2.5 m。

3) 確定了“泥巖表面封閉防止軟化+深部加固阻滑”的支護優化方案，現場應用后，頂底板移近量最大127 mm，兩幫移近量最大148 mm，未出現明顯巷道破壞現象，巷道圍巖變形得到了很好的控制。