趙莊煤業(yè)底抽巷頂板易冒落成因及控制對(duì)策

高赟躍

（晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048000）

煤礦主要的3種事故類型為頂板、瓦斯和運(yùn)輸事故。其中頂板事故的發(fā)生頻率最高，占事故總起數(shù)的54.42%，占煤礦事故死亡人數(shù)的40%～50%，長(zhǎng)期居高不下[1]。引起頂板事故的原因較多，首先是生產(chǎn)、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，巖石厚度和強(qiáng)度變化造成局部軟弱；然后，巷道圍巖長(zhǎng)期處于礦山壓力作用下，引起礦壓顯現(xiàn)如巖體的變形、破壞、塌落[2-3]；最后，巷道圍巖多處在潮濕通風(fēng)環(huán)境中，巖石風(fēng)化，強(qiáng)度變低[4-5]。趙莊煤業(yè)底抽巷頂板整體下沉量大，錨桿索大量破斷，甚至經(jīng)常發(fā)生冒頂事故，嚴(yán)重影響安全使用。因此，探明底抽巷頂板易冒落成因，提出控制對(duì)策，對(duì)趙莊煤業(yè)生產(chǎn)安全至關(guān)重要。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)一盤區(qū)底抽巷為盤區(qū)主要巷道之一，設(shè)計(jì)層位在煤層下方垂高8m，位于K7細(xì)粒砂巖層與K6灰?guī)r之間，層間距2.95m，設(shè)計(jì)底抽巷高度3.2m。原始設(shè)計(jì)以K7底界面為頂板，巷高不足時(shí)，破底板K6灰?guī)r掘進(jìn)。但實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，K6灰?guī)r過(guò)于堅(jiān)硬，掘進(jìn)困難，改為以K6灰?guī)r頂界面為底板，破頂部K7細(xì)粒砂巖掘進(jìn)。底抽巷層位如圖1所示。

圖1 底抽巷層位示意圖

K7細(xì)粒砂巖層平均厚度1.6m，但不穩(wěn)定，局部無(wú)K7，上方為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3m。在無(wú)K7段，砂質(zhì)泥巖層直接暴露在巷道中。

底抽巷支護(hù)方式：頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。錨桿長(zhǎng)度2.4m，錨桿間排距1100mm×1000mm，每排5根，設(shè)計(jì)預(yù)緊力為150kN；錨索長(zhǎng)度6.3m，“2-1-2”布置，當(dāng)施工兩根錨索時(shí)，間距1800mm，當(dāng)施工1根錨索時(shí)，距兩幫分別為2500mm。錨索預(yù)緊力為350kN。頂板支護(hù)示意如圖2所示。

圖2 巷道頂板支護(hù)示意圖

底抽巷局部頂板下沉量超過(guò)500mm，十分破碎，錨桿索拉斷，甚至出現(xiàn)冒頂造成巷道超高。經(jīng)過(guò)對(duì)頂板下沉嚴(yán)重區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)底抽巷頂部K7極薄或者無(wú)K7段最為嚴(yán)重，K7厚度超過(guò)500mm區(qū)域頂板良好。

初步認(rèn)為頂板破碎是由頂板巖石風(fēng)化引起的，為了進(jìn)一步確定，進(jìn)行頂板巖石成分分析和物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試。

2 頂板巖石易冒落成因分析

2.1 頂板巖石礦物成分分析

現(xiàn)場(chǎng)取頂板K7細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖塊體各不少于3塊，進(jìn)行烘干、破碎、研磨，制作成40μm細(xì)度的粉末樣品，每種巖石制作3份樣品。K7細(xì)粒砂巖3個(gè)樣品編號(hào)為1#、2#、3#，砂質(zhì)泥巖3個(gè)樣品編號(hào)為4#、5#、6#，每份樣品質(zhì)量3g左右。然后采用D8ADVANCE X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，得到巖石礦物成分情況如下：

（1）K7細(xì)粒砂巖：石英平均占比43%，白云石平均占比24%，鈉長(zhǎng)石平均占比23.7%，二重高嶺土平均占比8%，含少量金紅石。石英物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均十分穩(wěn)定，而白云石、鈉長(zhǎng)石可用于制造建材、玻璃、陶瓷等，性質(zhì)也十分穩(wěn)定。該樣品90%以上均為堅(jiān)硬穩(wěn)定成分，因此K7細(xì)粒砂巖強(qiáng)度高，性質(zhì)穩(wěn)定。

（2）砂質(zhì)泥巖：4#、5#主要成分為石英，平均占比72.5%，高嶺石占比21.5%，菱鐵礦占比4.5%，含少量二重高嶺土；6#樣品石英占比14%，赤鐵礦占比33%，白云母占比51%，含少量二重高嶺土。因絕大部分為石英，砂質(zhì)泥巖巖塊本身強(qiáng)度相當(dāng)大，但層間含有大量的高嶺石，高嶺石遇水極易發(fā)生膨脹，且菱鐵礦、白云母均為易風(fēng)化巖石，強(qiáng)度較低。

2.2 頂板巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

將現(xiàn)場(chǎng)取回的頂板K7細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖塊體制作成圓柱形或正方體標(biāo)準(zhǔn)試樣。

制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，干燥時(shí)，兩種巖石均十分完整堅(jiān)硬，但遇水后，水迅速在砂質(zhì)泥巖層理間擴(kuò)散，使砂質(zhì)泥巖在輕微擾動(dòng)下即沿層理崩裂成碎塊。說(shuō)明砂質(zhì)泥巖層理發(fā)育，且層理間賦存易吸水礦物。如圖3所示。

圖3 砂質(zhì)泥巖遇水崩裂

采用RMT-150B型巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，得到的結(jié)果如下：

（1）K7細(xì)粒砂巖：平均單軸抗壓強(qiáng)度157.8MPa，最大216 MPa，為極堅(jiān)硬、強(qiáng)穩(wěn)定巖層；

（2）砂質(zhì)泥巖：不含高嶺石填充節(jié)理的砂質(zhì)泥巖試件平均單軸抗壓強(qiáng)度82.7MPa，含高嶺石填充節(jié)理的砂質(zhì)泥巖試件平均單軸抗壓強(qiáng)度17.7MPa，差距十分顯著。

2.3 頂板巖石易冒落成因

K7細(xì)粒砂巖礦物成分穩(wěn)定，強(qiáng)度極高，可以作為砂質(zhì)泥巖有效的保護(hù)層。

頂板砂質(zhì)泥巖層理之間含有大量高嶺石等易吸水膨脹礦物，長(zhǎng)期處于潮濕通風(fēng)環(huán)境中，易風(fēng)化，導(dǎo)致性能十分不穩(wěn)定。尤其是遇水時(shí)發(fā)生崩解，強(qiáng)度急劇下降，使頂板破碎、冒落。

3 控制對(duì)策

3.1 K7細(xì)粒砂巖厚度控制

在掘進(jìn)時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)截割不動(dòng)底板K6灰?guī)r，破頂板K7細(xì)粒砂巖時(shí)，留K7厚度不低于800mm，且盡量保證頂板完整，作為上部不穩(wěn)定砂質(zhì)泥巖的保護(hù)層。

3.2 支護(hù)后噴漿封閉

按照設(shè)計(jì)的錨桿索支護(hù)方式對(duì)頂板進(jìn)行永久支護(hù)，施工過(guò)程中應(yīng)盡量減少水的用量，支護(hù)后對(duì)頂板及頂角部位立即噴漿，封閉錨桿索孔、裂隙等漏風(fēng)通道，隔絕風(fēng)、水，減輕頂板風(fēng)化作用。

噴漿參數(shù)：頂板及頂角噴射混凝土，噴射漿體標(biāo)號(hào)C20，厚度250mm，一次成型，混凝土配合比為水泥:砂子:石子=1:1:2，水灰比0.45:1，水泥為普通硅酸鹽水泥，中粒河砂，石子粒徑不大于15mm，速凝劑為水泥重量的3%～5 %。

3.3 無(wú)K7段架棚支護(hù)

由于K7細(xì)粒砂巖層厚度不穩(wěn)定，局部極薄甚至消失，頂板砂質(zhì)泥巖層直接暴露在空氣中，為了防止后期頂板下沉引起的噴漿層碎裂、漏風(fēng)，頂部必須鋪菱形金屬網(wǎng)然后架棚支護(hù)，并加強(qiáng)頂板離層觀測(cè)，防止發(fā)生突然冒落。

架棚參數(shù)：棚排距1000mm，相鄰的棚之間用拉桿進(jìn)行連鎖。棚腿基礎(chǔ)深200mm，分兩段，均用36U型鋼，搭接處采用36U鋼標(biāo)配的卡纜螺栓進(jìn)行連接。棚梁為12號(hào)礦用工字鋼，在兩端焊接一段36號(hào)U型鋼作為棚腿支護(hù)的卡槽。棚與巷道之間采用背板背緊背牢，相鄰棚間背板的搭接必須錯(cuò)落有致、相對(duì)成線。如圖4所示。

圖4 架棚支護(hù)示意圖

4 效果考察

在底抽巷內(nèi)布置5個(gè)表面位移觀測(cè)點(diǎn)，采用“十”字布點(diǎn)法，重點(diǎn)觀測(cè)頂板下沉量，每15d觀測(cè)一次，共觀測(cè)240d。繪制的頂板下沉量曲線見圖5所示。

可以看出，經(jīng)過(guò)8個(gè)月觀測(cè)，巷道頂板下沉已經(jīng)基本穩(wěn)定。5個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量分別為60mm、35mm、45mm、50mm、35mm、42mm，且80%以上集中在掘進(jìn)后兩個(gè)月內(nèi)，控制效果良好。

圖5 5個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量曲線圖

5 結(jié)論

（1）趙莊煤業(yè)底抽巷頂板砂質(zhì)泥巖層理間含有大量的易吸水膨脹礦物，遇水后沿層理發(fā)生崩裂，強(qiáng)度急劇下降，是易冒落的主要原因；

（2）控制對(duì)策主要針對(duì)防止頂板風(fēng)化，在掘進(jìn)時(shí)留設(shè)K7細(xì)粒砂巖厚度不低于800mm作為砂質(zhì)泥巖的保護(hù)層，支護(hù)后快速噴漿封閉，無(wú)K7段采用架棚支護(hù)；

（3）效果考察表明，經(jīng)過(guò)8個(gè)月觀測(cè)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量均不超過(guò)60mm，80%以上集中在掘進(jìn)后兩個(gè)月內(nèi)，之后趨于穩(wěn)定，控制效果良好。