新景煤礦特厚泥巖頂板巷道變形特征及控制技術(shù)

馬海紅

（華陽新景公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

新景煤礦8128綜采工作面主采8號(hào)煤層，8號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含2層夾石，下部夾石由南向北逐漸增厚，最厚處達(dá)0.61 m。煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層總厚2.34～3.54 m，平均厚度2.94 m，傾角2°～10°，平均傾角6°。煤層頂?shù)装寰唧w巖性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 Coal seam roof and floor structure

8128綜采工作面位于+525水平，地面標(biāo)高850—1 042 m，工作面標(biāo)高520—556 m，埋藏深度為336～506 m。工作面井下位于8號(hào)煤蘆南區(qū)北翼采區(qū)，東為8127工作面（正掘），南為8號(hào)煤蘆南區(qū)北翼采區(qū)大巷，西為8129工作面（未掘），北為525水平中條帶大巷。

目前8128工作面正在掘進(jìn)進(jìn)風(fēng)巷，巷道為矩形斷面，凈寬5 m，凈高2.8 m，走向長(zhǎng)1 545 m，沿8號(hào)煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，采用“錨桿+錨索+W鋼帶+金屬菱形網(wǎng)”支護(hù)。由表1可知，巷道頂板為厚度較大的軟弱泥巖，在掘進(jìn)過程中不易維護(hù)，巷道變形嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)局部冒頂?shù)默F(xiàn)象。為此，需對(duì)特厚泥巖頂板條件下的巷道變形機(jī)理及圍巖控制技術(shù)展開研究。

2 泥巖頂板特性

在8128進(jìn)風(fēng)巷頂板鉆取泥巖并帶回實(shí)驗(yàn)室，采用X射線衍射儀對(duì)其組成成分進(jìn)行分析，測(cè)試后的衍射圖譜如圖1所示，頂板泥巖礦物分成見表2。

圖1 頂板泥巖X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of roof mudstone

表2 頂板泥巖礦物成分Table 2 Mineral composition of roof mudstone

由圖1、表2可知，8128進(jìn)風(fēng)巷頂板泥巖中72.81%為黏土類礦物，其中高嶺石的含量最高，達(dá)到了38.42%，這使得泥巖頂板的強(qiáng)度較低，且遇水后極易軟化變形。

將泥巖試樣先進(jìn)行浸泡飽水，后將其風(fēng)干，共進(jìn)行4個(gè)循環(huán)的飽水—風(fēng)干測(cè)試，分析頂板泥巖遇水后的軟化崩解程度。如圖2所示，泥巖試樣在經(jīng)過2個(gè)循環(huán)的飽水—風(fēng)干測(cè)試后發(fā)生了斷裂，并出現(xiàn)了明顯的崩解現(xiàn)象，經(jīng)過4個(gè)循環(huán)測(cè)試后，泥巖試樣已完全崩解成碎塊。

圖2 頂板泥巖飽水—風(fēng)干測(cè)試Fig.2 Water saturation-air drying test of mudstone roof

采用掃描電鏡對(duì)對(duì)泥巖試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掃描結(jié)果如圖3所示。可以看出，在泥巖表面，大量礦物碎屑雜亂分布，其中綠脫石主要為片狀或葉狀，伊利石呈絲縷狀，高嶺石呈四邊形板狀。各顆粒之間分界明顯，相互凝聚或無規(guī)則疊加，構(gòu)成大量的孔隙（1～3 μm）。巷道開挖后，應(yīng)力重新分布，使得裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，并逐漸貫通，為礦井水的流動(dòng)提供了水力通道。

圖3 頂板泥巖電鏡掃描圖Fig.3 Scanning electron microscope of mudstone in roof

3 巷道破壞情況

3.1 巷道原支護(hù)形式

8128進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)初期圍巖情況較好，在掘進(jìn)3個(gè)月后頂板的下沉量急劇增大，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)了冒頂，嚴(yán)重影響井下安全生產(chǎn)。現(xiàn)場(chǎng)原支護(hù)具體參數(shù)如下。

（1）頂板。頂錨桿采用直徑18 mm，長(zhǎng)度2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm，每排布置6根，鐵托板長(zhǎng)度、寬度為150 mm，厚度15 mm；頂錨索采用直徑16 mm，長(zhǎng)度8 000 mm的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制成，間距為2 400 mm，排距為1 600 mm，每排布置2根，鐵托板長(zhǎng)度、寬度為120 mm，厚度15 mm，每排錨索用3 000 mm的槽鋼連接在一起。頂板下方鋪設(shè)40 mm孔徑的金屬網(wǎng)。

（2）巷幫。巷幫采用圓鋼可回收錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)度2 000 mm，間排距為800 mm，每排布置4根，鐵托板長(zhǎng)度、寬度為120 mm，厚度10 mm；在煤柱幫補(bǔ)打錨索，錨索直徑16 mm，長(zhǎng)度7 000 mm，間距為1 800 mm，排距為2 400 mm，采用2 200 mm長(zhǎng)的槽鋼進(jìn)行連接。兩幫鋪設(shè)塑鋼網(wǎng)護(hù)表。

3.2 巷道頂板變形破壞特征

通過大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析，總結(jié)8128進(jìn)風(fēng)巷特厚泥巖頂板的破壞特征主要有以下方面。

3.2.1 初期變形量較大

由于頂板泥巖強(qiáng)度較低，巷道開挖后，在應(yīng)力卸載的作用下，頂板變形量急劇增加，在開挖前10 d，頂板的平均變形速度達(dá)到了9 mm/d以上。

3.2.2 頂板發(fā)生塑性流變

在巷道掘進(jìn)期間，對(duì)頂?shù)装遄冃吻闆r進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見表3。可以看出，掘進(jìn)前2個(gè)月內(nèi)，變形情況不明顯；在第3個(gè)月后，頂?shù)装逡七M(jìn)量大幅度增長(zhǎng)。說明巷道圍巖自開挖后一直處于塑性流變狀態(tài)，其變形趨于穩(wěn)定的周期達(dá)到150 d甚至更長(zhǎng)，動(dòng)壓顯現(xiàn)明顯且持久，不利于巷道維護(hù)。

表3 頂板變形監(jiān)測(cè)情況Table 3 Roof deformation monitoring

3.2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)失效破壞

由于巷道變形量較大且變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，局部區(qū)域出現(xiàn)冒頂，頂板下沉導(dǎo)致頂板錨桿脫出，懸吊于泥巖頂板上，失去支護(hù)能力；大量錨索托盤存在外翻現(xiàn)象，且部分錨索拉斷，金屬網(wǎng)內(nèi)兜矸較多，形成大量網(wǎng)包，嚴(yán)重威脅巷道安全生產(chǎn)。

3.2.4 頂板下位巖層破壞嚴(yán)重

對(duì)頂板進(jìn)行鉆孔窺視，巷道直接頂下位泥巖層0～2 m裂隙發(fā)育程度高且已相互貫通；2～5 m的巖層裂隙發(fā)育程度有所緩和，但存在輕微離層；5～8 m的巖層完整性較好，但隨著時(shí)間的推移，淺部圍巖破壞冒落后，深部圍巖也會(huì)逐漸離層垮落。因此，需加強(qiáng)對(duì)下位巖層的支護(hù)強(qiáng)度，提高支護(hù)構(gòu)件的剛度。

4 支護(hù)方案優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 支護(hù)方案優(yōu)化

（1）巷道開挖后及時(shí)對(duì)圍巖表面進(jìn)行混凝土噴漿，封閉圍巖表面，防止空氣中的水分弱化頂板泥巖，其中頂板噴層厚度不低于40 mm，巷幫上部500 mm內(nèi)噴層厚度不低于20 mm。

（2）錨桿優(yōu)化。頂板采用直徑20 mm，長(zhǎng)度2 200 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿取代原支護(hù)錨桿，間距由800 mm調(diào)整至940 mm，排距由800 mm調(diào)整至900 mm；巷道兩幫依舊采用原規(guī)格圓鋼錨桿，將支護(hù)間距增大至850 mm，排距增大至900 mm；為阻止巖層水平滑移錯(cuò)動(dòng)，減緩幫角裂隙的發(fā)育程度，巷幫頂?shù)?排錨桿分別向上和向下傾斜20°施工。

（3）錨索優(yōu)化。頂板錨索長(zhǎng)度由8 000 mm增加至10 300 mm，間排距不變，每排2根，原支護(hù)方案中頂錨索均垂直施工，為防止巖層出現(xiàn)拉伸破壞，優(yōu)化后頂錨索分別向巷幫兩側(cè)傾斜20°施工；巷道煤柱幫不再施工錨索。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化后，采用多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道掘進(jìn)及回采期間的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Roadway displacement monitoring curve

由圖4（a）可知，巷道在掘進(jìn)期間，變形量增長(zhǎng)主要集中在前20 d，在掘進(jìn)40 d后逐漸趨于穩(wěn)定，其頂板最大下沉量為111.3 mm，兩幫最大移進(jìn)量為72.8 mm，整體變形量較小，主要表現(xiàn)為頂板變形，遇構(gòu)造時(shí)需及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道穩(wěn)定后，對(duì)其頂板裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)，裂隙主要集中在巷道圍巖淺部0～0.7 m，且裂隙張開度均低于50 mm，圍巖整體完整性較好。

由圖4（b）可知，回采期間，巷道超前工作面40 m時(shí)圍巖變形開始明顯增大，超前工作面25 m時(shí)變形量急劇增加，在超前支承壓力的擾動(dòng)下，巷道頂板的最大下沉量為374 mm，兩幫最大移進(jìn)量為248 mm，均滿足工作面安全生產(chǎn)的要求。

5 結(jié) 語

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及試驗(yàn)分析得出，引起新景煤礦8128進(jìn)風(fēng)巷變形破壞的主要原因?yàn)轫敯迥鄮r強(qiáng)度低且厚度大，原支護(hù)參數(shù)不合理，下位巖層支護(hù)強(qiáng)度較低。針對(duì)巷道頂板變形破壞特征，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，巷道在掘進(jìn)及回采期間的圍巖變形量較小，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。