厚層泥巖頂板回撤通道冒頂分析及治理實(shí)踐

付世雄

（山西臨縣華潤(rùn)聯(lián)盛黃家溝煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 045300）

綜采回撤通道支護(hù)狀況及頂板情況，是影響支架回撤的關(guān)鍵因素。目前回撤通道主要采用錨桿索支護(hù)，錨桿、錨索協(xié)同作用，形成壓應(yīng)力區(qū)是發(fā)揮支護(hù)效能的關(guān)鍵[1-4]。與正常回采巷道相比，回撤通道頂板穩(wěn)定性差、控制難度大，更易發(fā)生冒頂。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)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(fā)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(jiān)硬巖層。RQD值60%～90%，巖體質(zhì)量中等，抗壓強(qiáng)度7.8～56.9 MPa，為中等穩(wěn)定頂板。煤層地質(zhì)柱狀圖如圖1。

圖1 15#煤層地質(zhì)柱狀圖

1.2 回撤工作面支護(hù)概況

回撤面為15118 工作面，使用ZZ10600/27/60支撐掩護(hù)式支架，支架頂梁前端至掩護(hù)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(shè)計(jì)錨固力為200 kN。通道采用錨網(wǎng)索+W 鋼帶聯(lián)合支護(hù)，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(yù)應(yīng)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(jìn)行支護(hù)，間排距為900 mm×800 mm，鋼帶使用Ф12 mm×70 mm×1870 mm 鋼筋梯，網(wǎng)片使用10#鐵絲菱形金屬網(wǎng)?；爻吠ǖ乐ёo(hù)設(shè)計(jì)斷面圖如圖2。

圖2 回撤通道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖（mm）

2 頂板管理難點(diǎn)及冒頂原因分析

2.1 回撤通道頂板維護(hù)難點(diǎn)分析

1）回撤通道煤壁側(cè)與采空區(qū)頂板支護(hù)強(qiáng)度不同。煤壁側(cè)是煤壁支承頂板，采空側(cè)是支架頂梁支承頂板，支架卸壓造成頂板回轉(zhuǎn)下沉、發(fā)育裂隙，對(duì)支架重復(fù)補(bǔ)液會(huì)對(duì)頂板反復(fù)支承，破壞頂板完整性，進(jìn)而裂隙發(fā)育至通道煤層頂板。

2）受多次采動(dòng)影響，頂板裂隙易擴(kuò)展?；夭善陂g，工作面推采至停采線前時(shí)，通道頂板經(jīng)歷一次采動(dòng)影響；掘進(jìn)回撤通道時(shí)，通道頂板經(jīng)歷二次采動(dòng)影響；回撤支架時(shí)，采空區(qū)頂板周期性斷裂下沉、全部垮落，超前壓力對(duì)通道頂板產(chǎn)生三次采動(dòng)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(shí)，隨著時(shí)間效應(yīng)影響，由于前探梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因不接頂，造成頂板不可逆的變形、下沉，產(chǎn)生破碎頂板漏矸，引發(fā)錨索錨空失效。

4）頂板結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。掘進(jìn)巷道頂板在兩幫煤壁和支護(hù)的共同作用下，形成組合梁的穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)。在支架前掘出回撤通道后，頂板一側(cè)為煤壁支持，一側(cè)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(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定。

2.2 厚層泥巖頂板對(duì)通道頂板維護(hù)的影響

15#煤層直接頂為厚層泥巖頂板，煤層距堅(jiān)硬灰?guī)r頂板約17 m，錨索沒(méi)有錨入堅(jiān)硬K2 灰?guī)r中，生根環(huán)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(chǎn)生明顯離層，引發(fā)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(yīng)力，錨固段達(dá)到最大剪切應(yīng)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(qiáng)度較低，形成的最大剪切應(yīng)力較低，造成錨固體能夠提供的工作阻力較低，錨索支護(hù)效能未充分發(fā)揮錨固劑就已經(jīng)失效。另一方面，在錨索發(fā)揮作用的過(guò)程中，受動(dòng)壓影響，錨索工作阻力從一個(gè)平衡狀態(tài)達(dá)到另一平衡狀態(tài)，會(huì)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(duì)于堅(jiān)硬巖層，錨固劑與圍巖的最大剪切應(yīng)力較大，工作阻力變化時(shí)同一錨固段提供的錨固力會(huì)明顯變化而不至于錨固失效，工作阻力可以擴(kuò)散到較長(zhǎng)的錨固段，即錨固段抵抗錨索工作阻力變化的能力較強(qiáng)；而對(duì)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(nèi)波動(dòng)時(shí)，錨固段可能會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)從外向里依次失效，從而導(dǎo)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(jī)尾向機(jī)頭方向依次回撤支架，當(dāng)回撤至18#支架時(shí)，在工作面12#～13#支架處通道頂板產(chǎn)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(qū)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(méi)有產(chǎn)生可見(jiàn)的裂隙；4）工作面3#支架處安裝有一組深、淺基點(diǎn)頂板離層儀，漏冒前后離層儀讀數(shù)對(duì)比沒(méi)有發(fā)生變化；5）對(duì)比液壓支架5#、10#支架活柱行程，漏冒對(duì)該范圍支架活柱高度沒(méi)有影響；6）漏冒造成14#～17#架范圍內(nèi)架前頂板整體下沉，下沉頂板表面裂縫貫穿，頂板菱形網(wǎng)未見(jiàn)撕裂現(xiàn)象；7）錨桿、錨索托盤(pán)無(wú)變形，無(wú)錨桿、錨索拉斷現(xiàn)象；8）錨桿、索錨固段藥卷較完整，沒(méi)有產(chǎn)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(hù)效能沒(méi)有充分發(fā)揮，錨固體已失效。

2）1#～17#架范圍內(nèi)架前頂板的強(qiáng)度或原生結(jié)構(gòu)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(shuō)明在此處頂板深處存在原生豎向節(jié)理、裂隙，而漏冒矸石呈小塊片狀、碎屑狀及粉末狀泥巖，說(shuō)明裂隙擴(kuò)展充分，巖體結(jié)構(gòu)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(lái)壓使錨索的工作阻力短時(shí)間內(nèi)急劇上升，使錨固體在錨固劑-圍巖界面或者圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞失效，造成厚層頂板下沉，11#、12#處裂隙擴(kuò)展形成斷裂。即動(dòng)壓影響下，頂板原生裂隙擴(kuò)展，工程地質(zhì)條件持續(xù)劣化是冒頂發(fā)生的本質(zhì)原因。

3 冒頂治理實(shí)踐

3.1 抬棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

采用4.5 m 長(zhǎng)π 型鋼梁配合DW45-250/110X 單體液壓支柱打設(shè)抬棚支護(hù)，從膠帶順槽末端抹角處向出架通道內(nèi)打設(shè)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(hù)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(jìn)行有效黏結(jié)。

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(yīng)溫度為88.6 ℃，膨脹系數(shù)為1.0 倍。

2）注漿方案

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

② 注漿孔布置：每個(gè)支架處布置3 個(gè)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(nèi)每架布置一個(gè)注漿孔，終孔位置位于通道中央且頂板巖層1 m 以上，對(duì)漏冒范圍前后頂板進(jìn)行注漿加固，使頂板形成統(tǒng)一整體，提高承載性能。

3）施工工藝：標(biāo)孔→直接插管（鉆孔）→（檢查鉆孔質(zhì)量）→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準(zhǔn)備漿液→開(kāi)泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→驗(yàn)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(shè)計(jì)注漿壓力為1～2 MPa。注漿時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及跑漿量，及時(shí)調(diào)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(zhǎng)鋼釬進(jìn)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(shè)4.5 mπ 型鋼梁+4.5 m 單體一梁兩柱抬棚支護(hù)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(huán)進(jìn)行直至通過(guò)漏冒段。

4 通道支護(hù)改進(jìn)方向

錨桿索支護(hù)具有明顯的隱蔽工程特性，通過(guò)此次事件，該條件下回撤通道頂板維護(hù)可從以下幾個(gè)方面改進(jìn)：

1）優(yōu)化錨索長(zhǎng)度及錨固長(zhǎng)度。錨索錨固長(zhǎng)度要避開(kāi)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(guò)拉拔力測(cè)試等技術(shù)手段進(jìn)一步確定。針對(duì)軟弱厚層頂板，需確定特定條件下臨界錨固長(zhǎng)度。

2）加強(qiáng)巖性探測(cè)。局部頂板巖性可能會(huì)發(fā)生變化，支護(hù)過(guò)程中利用隨鉆探測(cè)、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(jìn)一步探查。

3）增設(shè)被動(dòng)支護(hù)。因工程地質(zhì)條件短時(shí)間內(nèi)突然劣化導(dǎo)致支護(hù)失效的情況，在正常觀測(cè)頻度下難以觀測(cè)到，且觀測(cè)范圍具有明顯的局限性。

5 結(jié)論

1）回撤通道受支護(hù)斷面大、支護(hù)強(qiáng)度不對(duì)等、多次采動(dòng)影響裂隙擴(kuò)展、架前頂板不可逆破壞、頂板受力結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等影響，維護(hù)難度較正常巷道困難。

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

3）動(dòng)壓影響下，頂板原生裂隙擴(kuò)展，厚層泥巖頂板局部工程地質(zhì)條件持續(xù)劣化，是造成冒頂發(fā)生的本質(zhì)原因。

4）類似條件下回撤通道頂板維護(hù)，可以從優(yōu)化錨索長(zhǎng)度及錨固長(zhǎng)度、加強(qiáng)巖性探測(cè)、增設(shè)被動(dòng)支護(hù)等方面進(jìn)行改進(jìn)。