厚層泥巖頂板回撤通道冒頂分析及治理實踐

付世雄

（山西臨縣華潤聯盛黃家溝煤業有限公司，山西 呂梁 045300）

綜采回撤通道支護狀況及頂板情況，是影響支架回撤的關鍵因素。目前回撤通道主要采用錨桿索支護，錨桿、錨索協同作用，形成壓應力區是發揮支護效能的關鍵[1-4]。與正常回采巷道相比，回撤通道頂板穩定性差、控制難度大，更易發生冒頂。

1 工程概況

1.1 地質條件

白羊嶺煤礦主采15#煤層，均厚4.6 m，平均傾角9°。煤層頂板為深灰黑色厚層泥巖，平均厚度17.7 m，中部發育14#煤層，平均厚度0.5 m，兩層煤平均層間距11.1 m，頂板屬半堅硬巖層。RQD值60%～90%，巖體質量中等，抗壓強度7.8～56.9 MPa，為中等穩定頂板。煤層地質柱狀圖如圖1。

圖1 15#煤層地質柱狀圖

1.2 回撤工作面支護概況

回撤面為15118 工作面，使用ZZ10600/27/60支撐掩護式支架，支架頂梁前端至掩護梁末端距離約為10.8 m。停采位置埋深為350～360 m，停采線位置工作面坡度為6°～8°。

回撤通道斷面寬×高=4.5 m×4.5 m，架前施工1 根Ф21.8 mm×9000 mm 鎖口錨索，設計錨固力為200 kN。通道采用錨網索+W 鋼帶聯合支護，頂錨桿采用Ф20 mm×2300 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；采用BHW280-3.0 鋼帶，頂錨索采用Ф21.8 mm×9000 mm 預應力鋼絞線，布置在兩排錨桿之間，間排距為1600 mm×800 mm。煤壁采用Ф20 mm×2000 mm 螺紋鋼錨桿進行支護，間排距為900 mm×800 mm，鋼帶使用Ф12 mm×70 mm×1870 mm 鋼筋梯，網片使用10#鐵絲菱形金屬網。回撤通道支護設計斷面圖如圖2。

圖2 回撤通道支護設計斷面圖（mm）

2 頂板管理難點及冒頂原因分析

2.1 回撤通道頂板維護難點分析

1）回撤通道煤壁側與采空區頂板支護強度不同。煤壁側是煤壁支承頂板，采空側是支架頂梁支承頂板，支架卸壓造成頂板回轉下沉、發育裂隙，對支架重復補液會對頂板反復支承，破壞頂板完整性，進而裂隙發育至通道煤層頂板。

2）受多次采動影響，頂板裂隙易擴展。回采期間，工作面推采至停采線前時，通道頂板經歷一次采動影響；掘進回撤通道時，通道頂板經歷二次采動影響；回撤支架時，采空區頂板周期性斷裂下沉、全部垮落，超前壓力對通道頂板產生三次采動影響。

3）架前頂板不可逆變形、下沉、破碎。液壓支架停止前移時，隨著時間效應影響，由于前探梁結構設計原因不接頂，造成頂板不可逆的變形、下沉，產生破碎頂板漏矸，引發錨索錨空失效。

4）頂板結構不穩定。掘進巷道頂板在兩幫煤壁和支護的共同作用下，形成組合梁的穩定承載結構。在支架前掘出回撤通道后，頂板一側為煤壁支持，一側在支架作用力及超前壓力作用下破碎，最終形成組合懸臂梁頂板。與組合梁相比，靠煤壁處頂板受的彎矩更大，承載的結構更不穩定。

2.2 厚層泥巖頂板對通道頂板維護的影響

15#煤層直接頂為厚層泥巖頂板，煤層距堅硬灰巖頂板約17 m，錨索沒有錨入堅硬K2 灰巖中，生根環境較差。14#煤層與泥巖頂、底板的交界面形成了明顯的軟弱層，且層位與錨索錨固端距離較近，在高工作阻力情況下，易從軟弱層面處產生明顯離層，引發頂板整體墜落。

錨固劑與圍巖的接觸面相互作用形成剪切應力，錨固段達到最大剪切應力，從而使錨索的工作阻力上升[5]，而15#煤層頂板厚層泥巖強度較低，形成的最大剪切應力較低，造成錨固體能夠提供的工作阻力較低，錨索支護效能未充分發揮錨固劑就已經失效。另一方面，在錨索發揮作用的過程中，受動壓影響，錨索工作阻力從一個平衡狀態達到另一平衡狀態，會造成從錨固端頭到錨固末端不同深度錨固段的漸次失效。對于堅硬巖層，錨固劑與圍巖的最大剪切應力較大，工作阻力變化時同一錨固段提供的錨固力會明顯變化而不至于錨固失效，工作阻力可以擴散到較長的錨固段，即錨固段抵抗錨索工作阻力變化的能力較強；而對于厚層泥巖頂板，其能提供的最大工作阻力較低，工作阻力在較小的幅度范圍內波動時，錨固段可能會在較短時間內從外向里依次失效，從而導致錨索整體被拉出失效。

2.3 冒頂特征及原因分析

工作面從機尾向機頭方向依次回撤支架，當回撤至18#支架時，在工作面12#～13#支架處通道頂板產生漏頂。漏頂特征：1）漏冒頂板巖石較破碎，以小塊、碎屑泥巖為主，夾雜部分14#煤；2）漏冒區域呈倒漏斗狀，邊緣傾角約為75°；3）工作面11#～1#架范圍頂板漏冒前后均完整，頂板沒有產生可見的裂隙；4）工作面3#支架處安裝有一組深、淺基點頂板離層儀，漏冒前后離層儀讀數對比沒有發生變化；5）對比液壓支架5#、10#支架活柱行程，漏冒對該范圍支架活柱高度沒有影響；6）漏冒造成14#～17#架范圍內架前頂板整體下沉，下沉頂板表面裂縫貫穿，頂板菱形網未見撕裂現象；7）錨桿、錨索托盤無變形，無錨桿、錨索拉斷現象；8）錨桿、索錨固段藥卷較完整，沒有產生明顯破壞。

分析上述特征可得：

1）錨桿索的工作阻力均較低，錨桿索的支護效能沒有充分發揮，錨固體已失效。

2）1#～17#架范圍內架前頂板的強度或原生結構明顯不同。1#～11#架前頂板較為完整，12#～17#架前頂板完整性較差。在11#、12#架處有明顯的斷裂面，說明在此處頂板深處存在原生豎向節理、裂隙，而漏冒矸石呈小塊片狀、碎屑狀及粉末狀泥巖，說明裂隙擴展充分，巖體結構已完全破壞。

分析可知，回撤支架造成頂板周期性變形、下沉，基本頂斷裂來壓使錨索的工作阻力短時間內急劇上升，使錨固體在錨固劑-圍巖界面或者圍巖內部結構破壞失效，造成厚層頂板下沉，11#、12#處裂隙擴展形成斷裂。即動壓影響下，頂板原生裂隙擴展，工程地質條件持續劣化是冒頂發生的本質原因。

3 冒頂治理實踐

3.1 抬棚補強支護

采用4.5 m 長π 型鋼梁配合DW45-250/110X 單體液壓支柱打設抬棚支護，從膠帶順槽末端抹角處向出架通道內打設直至12#液壓支架處。π 梁抬棚間距為0.7 m，單體支柱一梁2 柱支護頂板，2 根單體液壓支柱柱距為4 m，初撐力不小于14.8 MPa。

3.2 注漿加固漏冒頂板

采用多位置深淺孔布置的方式，將漏冒的破碎巖石及頂板破碎帶進行有效黏結。

1）注漿材料

注漿加固材料為煤礦加固煤巖體用聚氨酯材料，反應溫度為88.6 ℃，膨脹系數為1.0 倍。

2）注漿方案

① 對漏冒的矸石，先直接采用插管注漿或鉆孔注漿法進行加固，封堵漏冒矸石，然后采用深孔注漿方式，對頂板空洞區域進行充填加固。

② 注漿孔布置：每個支架處布置3 個鉆孔，鉆孔深度分別為2 m、5 m、7 m，鉆孔間距為0.5 m，鉆孔傾斜向通道頂板，終孔位置落在支架頂梁上方1～2 m 位置。

工作面漏頂處前后2 架范圍內每架布置一個注漿孔，終孔位置位于通道中央且頂板巖層1 m 以上，對漏冒范圍前后頂板進行注漿加固，使頂板形成統一整體，提高承載性能。

3）施工工藝：標孔→直接插管（鉆孔）→（檢查鉆孔質量）→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質量→驗收→洗泵→收工。

4）注漿量及注漿壓力

注漿孔每孔用量為10 組，使用兩種注漿材料配比為1:1，設計注漿壓力為1～2 MPa。注漿時根據現場情況及跑漿量，及時調整注漿量、注漿壓力及注漿位置。

3.3 漏頂治理

注漿加固頂板后，先采用1 m 長鋼釬進行超前加固。將鋼釬斜向上30°打入前方頂板，釬桿間距不大于0.2 m。然后支設4.5 mπ 型鋼梁+4.5 m 單體一梁兩柱抬棚支護頂板，抬棚間距600 mm，兩根單體液壓支柱間距為4 m，最后在抬棚下方清理漏冒的矸石。循環進行直至通過漏冒段。

4 通道支護改進方向

錨桿索支護具有明顯的隱蔽工程特性，通過此次事件，該條件下回撤通道頂板維護可從以下幾個方面改進：

1）優化錨索長度及錨固長度。錨索錨固長度要避開頂板軟弱層位，使錨索生根牢固，建議錨索錨固位置為14#煤層上方，具體位置需通過拉拔力測試等技術手段進一步確定。針對軟弱厚層頂板，需確定特定條件下臨界錨固長度。

2）加強巖性探測。局部頂板巖性可能會發生變化，支護過程中利用隨鉆探測、鉆速分析等手段，分析軟弱巖層厚度及位置變化，異常地段采用鉆孔窺視進一步探查。

3）增設被動支護。因工程地質條件短時間內突然劣化導致支護失效的情況，在正常觀測頻度下難以觀測到，且觀測范圍具有明顯的局限性。

5 結論

1）回撤通道受支護斷面大、支護強度不對等、多次采動影響裂隙擴展、架前頂板不可逆破壞、頂板受力結構不穩定等影響，維護難度較正常巷道困難。

2）厚層泥巖頂板條件下，錨固體無法提供較高的工作阻力，且抗動壓能力較弱，易短時間整體失效。

3）動壓影響下，頂板原生裂隙擴展，厚層泥巖頂板局部工程地質條件持續劣化，是造成冒頂發生的本質原因。

4）類似條件下回撤通道頂板維護，可以從優化錨索長度及錨固長度、加強巖性探測、增設被動支護等方面進行改進。