含軟夾層石灰巖頂板動態判定與支護技術研究

張 英

(晉煤集團沁秀煤業有限公司 岳城煤礦，山西 沁水 048205)

鳳凰山礦15號煤層頂板為K2石灰巖，深灰色，致密堅硬，平均厚度約為9.2 m。15號煤頂板雖以K2石灰巖為主，但在不同盤區的不同位置，頂板巖性和結構特性差別較大，巷道在掘進過程中，頂板支護范圍內經常出現軟巖夾層，且夾層厚度及層位變化較大，尤其是受動壓影響后，軟巖夾層位置處極易與上覆巖層發生脫離而導致頂板發生淺部破壞[1]，在原有支護設計條件下，一旦離層發生不連續的擴容變形超過錨桿錨固區之外，單純靠幾根錨索懸吊難以支撐時，頂板即會發生離層垮冒。

巷道受動壓影響，在初始支護設計條件下，頂底移近量一般在300 mm以上，尤其是綜采工作面靠近采空區側的巷道超前支護區附近礦壓顯現異常嚴重[2]，頂板裂縫變多變寬，底鼓幫鼓經常導致安全出口寬度不足0.8 m、高度不足1.8 m。因此，本文以鳳凰山礦XV3207巷掘進支護為工程背景，通過對頂板巖性特征的判斷和分析，結合錨桿支護技術理論，提出以下支護技術指標要求：新錨桿支護設計技術條件下施工的巷道，在示范巷道服務年限內頂板下沉量不大于50 mm，兩幫移近量均不大于200 mm，底鼓量不大于200 mm。最終確定特定條件下的頂板支護方案，避免出現支護強度過剩或支護強度不足的情況，以達到科學支護與安全高效生產的雙重目的。

1 工程地質條件

XV3207巷設計長度為1 054 m，凈高2.5 m，凈寬4.3 m，沿15號煤層頂板破底掘進，煤層結構簡單，由頂板向下依次為0.6 m煤，0.4 m夾矸，1.28 m煤，巷道埋深為206.0～405.0 m，平均334 m，自重應力8.35 MPa，巷道在掘進過程中局部水平應力最高達15.6 MPa。無偽頂，直接頂與老頂均以K2石灰巖為主，但局部存在復合軟夾層結構，頂板厚度為8.61～9.97 m，平均9.48 m，普氏系數為8.09。水文地質情況簡單，主要為上覆K2石灰巖層間裂隙水。

2 XV3207巷頂板動態判定研究

2.1 頂板巖層結構動態判定

頂板結構判定主要包括原生裂隙或軟巖夾層位置、層厚及結構形態，采用頂板鉆孔窺視儀對XV3207巷距巷口分別于50 m、100 m、150 m位置處的頂板結構進行初期探測，結果如圖1～3所示。

圖1 50 m處頂板結構

圖2 100 m處頂板結構

圖3 150 m處頂板結構

根據頂板鉆孔窺視結果分析，50 m處頂板1.8 m位置存在裂隙，4.6 m位置存在泥巖夾層；100 m處頂板2.2 m位置為方解石脈，5.7 m位置存在泥巖夾層；150 m處頂板2.4 m、5.1 m位置均存在50～200 mm不等的泥巖夾層。

綜上，泥巖夾層出現的位置可以分為三類：①泥巖夾層位于錨桿錨固區內部：淺部為0～0.5 m，深部為0.5～1.5 m；②泥巖夾層位于錨桿錨固區邊緣：1.7～2.1 m；③泥巖夾層位于錨桿錨固區外部：2.5～3.5 m或大于5 m。

2.2 頂板巖層強度動態判定

采用WQCZ-56型小孔徑井下巷道圍巖強度測定裝置，在巷道內每隔200 m布置一個頂板圍巖強度測站，共布置4個測站，鉆孔朝向巷道掘進方向打設，仰角45°，鉆孔深度8～10 m，鉆孔直徑56 mm，對圍巖強度進行判定，測試結果如圖4。

根據測試結果可知，巷道頂板巖石力學特性差異較大，K2石灰巖單軸抗壓強度最高值達125 MPa，最低值為51 MPa，強度較低巖層主要分布在0～1 m、2～3 m范圍內。

圖4 XV3207巷強度測試結果

3 軟巖夾層層位對巷道穩定性影響分析

鳳凰山礦15號煤頂板采用長度2 m的錨桿進行支護，因此選取軟巖夾層、離層或裂隙在頂板的三個不同位置進行分析，分別為錨桿錨固區內，錨桿錨固區邊緣，錨桿錨固區外，如圖5所示。

圖5 軟巖夾層位于頂板錨桿錨固區的不同位置

1) 如果軟巖夾層位于錨桿錨固區的內部：① 軟巖夾層位于錨桿錨固段，即軟巖夾層出現在1.1～1.9 m范圍，此類頂板結構只要錨桿錨索及時主動支護，且圍巖整體性與預緊力足夠使得頂板軟巖夾層上下巖體形成整體結構，頂板不會出現離層垮冒事故[3]；② 軟巖夾層位于錨桿自由段，即軟巖夾層出現在0～1.1 m范圍，尤其是自由段淺部0.2～0.5 m之間，除了錨桿錨索及時主動支護之外，應加大頂板的護表強度，比如增設金屬網等措施，防止淺部巖層相互錯動發生垮落。

2) 若軟巖夾層位于錨桿錨固區邊緣，在錨桿預緊力作用力，錨桿使得軟巖夾層與其下部的巖體不會發生脫離。但是，由于軟巖夾層在錨桿錨固層的上方，錨桿的預緊力無法使軟巖上部巖體與軟巖夾層巖體之間產生更高的應力，特別是軟巖夾層位置的應力環境發生破壞以后，加劇了軟巖夾層的破壞，無法進一步改善時，軟巖夾層及其下部錨固體必然在周圍巖體應力作用下與軟巖上部巖體發生脫離，這樣必然導致頂板的離層垮冒[4]。且無論錨桿的預緊力多高，都無法阻止離層垮冒的發生。這種頂板條件下，可對頂板采取錨索補強的支護方式，若錨索密度足夠大，所加預緊力足夠高，通過錨索應力施加使得該類頂板條件應力狀態向軟巖夾層在錨索錨固區內部轉化，可以達到軟巖夾層在錨桿錨固區內部的支護效果。

3) 如果軟巖夾層位于錨桿錨固區外部，如果錨桿預緊力達合適的程度，使其應力狀態趨于極限平衡狀態，則頂板中錨固區內巖體形成整體的支護結構，只要該支護結構整體承載性能得到改善，周圍巖體的應力達不到該結構整體破壞的臨界應力，則錨桿錨固體就能夠支撐上部圍巖的應力[5]，也就是說，在正常的應力條件下，巷道即使在軟巖夾層會出現離層條件下，頂板一般并不會垮冒。但頂板會發生下沉，如果該種頂板條件下受地下水、強烈動壓影響或是其它因素干擾時，頂板也極易離層垮冒。

4 基于15號煤頂板動態判定的頂板圍巖支護設計

4.1 正常頂板條件常規巷道斷面的頂板支護設計

1) 錨桿錨固區0～0.5 m存在軟巖夾層時的頂板支護。4.5 m斷面：每排4根錨桿，排距1 500 mm，間距1 300 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每4排錨桿打1根錨索，排距6 000 mm，垂直頂板巖層打設。

2) 錨桿錨固區0.5～1.5 m存在軟巖夾層時的頂板支護。4.5 m斷面：每排3根錨桿，排距1 500 mm，間距1 500 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每4排錨桿打1根錨索，排距6 000 mm，垂直頂板巖層打設。

3) 錨桿錨固區邊緣存在軟巖夾層時的頂板支護。4.5 m斷面：每排3根錨桿，排距1 500 mm，間距1 500 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每3排錨桿打1根錨索，排距4 500 mm，垂直頂板巖層打設。

4) 錨桿錨固區外存在軟巖夾層的頂板支護。4.5 m斷面：每排3根錨桿，排距1 500 mm，間距1 500 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每4排錨桿打1根錨索，排距6 000 mm，垂直頂板巖層打設。

4.2 特殊條件下，常規巷道斷面的頂、幫支護處理措施

1) 頂板出現橫向、斜交或縱向原生裂縫時：①裂縫寬度小于5 mm時，且頂板無離層、不破碎，支護體未出現錨固失效時，可進行正常掘進支護；②裂縫寬度為5～10 mm時，且頂板無離層、不破碎，支護體未出現錨固失效時，在裂縫前后各補打1根單體錨索補強；當頂板出現離層破碎時，需掛金屬網，并在裂縫前后各補打1根單體錨索補強；③裂縫寬度為10～20 mm時，且頂板無離層、不破碎，支護體未出現錨固失效時，在裂縫前后各補打1組槽鋼錨索補強；當頂板出現離層破碎時，需掛金屬網，并在裂縫前后各補打1組槽鋼錨索補強；④裂縫寬度大于20 mm時，需掛金屬網，在裂縫前后補打槽鋼錨索進行補強，且延伸至正常頂板1排。

2) 若巷幫條件差，錨桿支護效果不理想時，適當增大巷道支護強度，具體措施有兩種，一種是每排增打一根單體錨桿，由每排2根錨桿變更為3根錨桿，另一種為在兩排錨桿中間補打一根單體錨桿，如圖6所示。

圖6 巷幫補強支護(mm)

5 巷道圍巖位移監測結果

根據以上頂板巖層結構及強度動態判定分析結果，采取針對性頂板圍巖支護控制后，在回采期間于XV3207巷600 m、800 m、1 000 m位置分別安設表面位移測站，對巷道圍巖位移進行監測，監測結果如圖7～9所示。

圖7 600 m處測站監測曲線

由圖7可知，600 m處巷道頂底移近量最大為169 mm，為巷道初始高度的6.5%，其中頂板下沉11 mm，底鼓量158 mm，巷道兩幫移近量最大為132 mm，為初始巷道兩幫寬度的2.9%。

由圖8可知，800 m處測站巷道頂底移近量最大為175 mm，為巷道初始高度的6.7%，其中頂板下沉5 mm，底鼓量170 mm，巷道兩幫移近量最大為126 mm，為初始巷道兩幫寬度的2.8%。

圖8 800 m處測站監測曲線

圖9 1 000 m處測站監測曲線

由圖9可知，1 000 m處測站巷道頂底移近量最大為136 mm，為巷道初始高度的5.2%，其中頂板下沉3 mm，底鼓量133 mm，巷道兩幫移近量最大為148 mm，為初始巷道兩幫寬度的3.3%。

6 結 語

通過對鳳凰山礦15號煤頂板動態判定分析，針對性提出與頂板條件對應的巷道差異化支護方案，并進行了工業性試驗，結果表明，XV3207巷在服務期間頂板下沉量最大值為11 mm，底鼓量最大值為170 mm，兩幫移近量最大值為148 mm，滿足計劃任務技術指標要求。同時，也有效避免了支護過剩現象，既提高了掘進效率，又節約了材料成本，達到了科學支護與安全高效生產的雙重目的。