任文華

（山西汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031304）

在煤巷的掘進(jìn)過程中，由于地下水分與巷道圍巖之間的相互作用，導(dǎo)致部分圍巖的強(qiáng)度、承載能力發(fā)生急劇變化，圍巖的變形量增大，出現(xiàn)膨脹、軟化、強(qiáng)度降低等一系列變化，這大大增加了巷道的冒頂隱患，對巷道的支護(hù)提出了更高的要求。以往的很多研究表明，水與巖石之間緩慢的化學(xué)作用對巖體的力學(xué)參數(shù)的影響很多情況下比單純的物理作用來得更直接，隨著時(shí)間的推移，對巖石造成的損傷甚至比力學(xué)因素更大[1-3]。本文以南關(guān)煤礦1207 回采巷道為工程背景進(jìn)行研究，該巷道頂板為親水性很強(qiáng)的泥巖，在水的作用下，頂板崩解和軟化，巷道掘進(jìn)至距開口位置850 m 處經(jīng)過富水性區(qū)域，錨網(wǎng)索腐蝕嚴(yán)重，頂板頻繁發(fā)生冒頂事故。

1 工程概況

1207 巷道沿2#煤層掘進(jìn)，煤層較穩(wěn)定，平均煤厚2.40 m。區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀發(fā)育情況對工作面掘進(jìn)有一定影響。1207 巷道水文地質(zhì)條件中等，標(biāo)高介于464～584 m 之間，巷道涌水主要為頂板砂巖裂隙水、采空區(qū)積水，預(yù)計(jì)正常涌水量為5 m3，最大涌水量為35 m3。巷道掘進(jìn)至里程850 m 將進(jìn)入采空區(qū)積水探水線，采空區(qū)積水量約11 200 m3，積水標(biāo)高為505 m。1207 巷道斷面為矩形，凈寬4.4 m，凈高2.6 m，凈斷面積為11.44 m2。巷道的基本頂為黑白色互層粉砂巖，厚度3.2 m，直接頂為泥巖，厚度1.4 m。直接底為黑白色細(xì)粒砂巖，厚度2.5 m，基本底為泥巖，厚度2.5 m。

1207 巷道掘進(jìn)總長度為1221 m，經(jīng)過富水性區(qū)域的巷道總長可達(dá)200 m。受此富水性區(qū)域的影響，巷道頂板的含水量大，巷道濕度高，圍巖的穩(wěn)定性大大下降，部分頂板出現(xiàn)了冒頂現(xiàn)象，錨網(wǎng)錨索的銹蝕嚴(yán)重，工人進(jìn)行了多次返修。巷道的冒頂和支護(hù)物腐蝕情況分布如圖1、圖2。

圖1 冒頂段沿巷道軸向剖面圖

圖2 錨網(wǎng)索銹蝕圖

2 巷道冒頂原因分析

2.1 頂板泥巖組成成分分析

在實(shí)驗(yàn)室使用X 射線衍射儀對1207 巷道頂板巖樣進(jìn)行分析。礦物分析結(jié)果顯示：巷道頂板泥巖中黏土礦物占總礦物成分的77%，長石占11%，石英占10.7%，菱鐵礦占1.5%，方解石占0.6%，還有一些剩余的其他成分。其中黏土礦物的主要成分為高嶺石，約占42%，其余成分依次為蒙脫石，占18.6%，伊利石，占6.9%，綠泥石，占6.0%，還有伊蒙混石，占5.3%。黏土中的主要成分高嶺石在干燥的時(shí)候有很強(qiáng)的吸水性，在潮濕的環(huán)境里具有可塑性。黏土中含有的蒙脫石吸水后體積會(huì)迅速膨脹成為糊狀，在水中水化后，其體積的增加量可達(dá)到50%。

通過對1207 頂板泥巖的組成成分分析可以看出，頂板泥巖的黏土礦物含量較高，含有較多蒙脫石和伊蒙混石，具有很強(qiáng)的親水性，在遇到水或在潮濕的環(huán)境中具有一定的膨脹性。頂板泥巖樣本的組成成分分析得到的X 射線衍射圖譜如圖3。

圖3 黏土X 射線衍射圖譜

2.2 水分對巷道圍巖軟化變形的分析

巖石由多種礦物成分組成，種類不同的巖石所含的礦物成分也有所不同，所以不同種類的巖石在受水的影響下其強(qiáng)度的變化也不相同。在水的軟化作用下，大部分巖石強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低[4]。一般巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的程度用其軟化系數(shù)（KR）來表示，軟化系數(shù)越小，巖石的軟化性越強(qiáng)[5]。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對取回的1207 巷頂板泥巖樣本進(jìn)行巖石力學(xué)相關(guān)的測定，以探明頂板泥巖在不同含水率下其軟化系數(shù)和彈性模量的變化。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，1207 巷頂板泥巖受水影響較大，隨著巖石含水率的增加，其軟化系數(shù)和彈性模量顯著減小。試驗(yàn)結(jié)果如圖4。從圖中可以看出，當(dāng)泥巖的含水率從2.6%增加到5.8%時(shí)，它的軟化系數(shù)和彈性模量分別衰減了78%和75%。

圖4 頂板泥巖的力學(xué)參數(shù)與含水率的關(guān)系

2.3 巷道冒頂原因

通過研究發(fā)現(xiàn)，由于1207 巷處于富水性區(qū)域，再加上圍巖二次應(yīng)力的改變與調(diào)整引起的巷道周圍巖體的變形和裂隙出現(xiàn)，導(dǎo)致頂板巖石的含水量大大增加，而頂板由親水性很強(qiáng)且軟化系數(shù)較低的泥巖組成，所以在水的影響下巷道頂板圍巖強(qiáng)度大大降低。對于該條巷道，若不加強(qiáng)對圍巖的支護(hù)和管理，極易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿省?/p>

3 冒頂區(qū)巷道綜合治理方案

巷道原有單根錨桿點(diǎn)支護(hù)不能滿足圍巖穩(wěn)定要求，為了將其擴(kuò)展成為面支護(hù)，巷道頂板的自然平衡拱下方的圍巖采用“預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合鋼帶+金屬網(wǎng)支護(hù)”。這樣可以有效地將平衡拱下方的巖體組成一個(gè)新的次生承載層，減少了承載層下方巖層的錯(cuò)動(dòng)、離層和垮落。

巷道的最大水平應(yīng)力方向與巷道軸線方向垂直時(shí)，巷道頂幫角上方塑性區(qū)范圍最大。為了最大限度減小頂幫角斜外側(cè)破碎區(qū)域的擴(kuò)展，決定將錨索以一定的角度傾斜布置。由于頂板為軟弱泥巖，為了對頂板施加更穩(wěn)定的支護(hù)力，增加了錨索的長度，與錨桿相比，錨索的柔性讓其更能適應(yīng)頂板幫角的高剪應(yīng)力區(qū)域。此外為了增加預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散范圍，增加了錨索的支護(hù)密度以達(dá)到最佳的支護(hù)效果。錨索將錨桿錨固的巖層區(qū)域與頂板上部更深處的巖層錨固在一起，讓其之間的巖體形成一個(gè)壓縮區(qū)，與錨桿錨索一起限制頂板上方離層的發(fā)育。

因?yàn)橄锏绹鷰r多為松軟泥巖，錨桿錨索可能會(huì)缺少施力基礎(chǔ)而失去支護(hù)效果，所以決定在巷道的原生裂隙發(fā)育帶注漿以提高圍巖穩(wěn)定性。在破碎區(qū)低壓注漿同時(shí)，在塑性區(qū)高壓注漿，為主承載區(qū)和次承載區(qū)提供穩(wěn)定的錨固點(diǎn)。

綜合上述分析，最后決定對1207 巷泥巖頂板采用“高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索、鋼帶以及金屬網(wǎng)配合注漿”的聯(lián)合支護(hù)方式，如圖5。

圖5 改進(jìn)的支護(hù)方案示意圖

4 工程監(jiān)測

支護(hù)方案實(shí)施后，對1207 巷道冒頂段共布置三組變形觀測站，進(jìn)行為期50 d 的現(xiàn)場工程實(shí)測，將實(shí)測所得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖6。從圖可看出，頂?shù)装宓淖畲笠平糠€(wěn)定在138 mm，相比于改進(jìn)前的801 mm的最大移近量得到了極大的改善，說明改進(jìn)后的支護(hù)方案可以適應(yīng)1207 巷道圍巖條件，對巷道圍巖的控制效果滿足安全生產(chǎn)的要求。

圖6 頂?shù)装逡七M(jìn)量

5 結(jié)論

（1）回采巷道經(jīng)過富水性區(qū)域，頂板泥巖的強(qiáng)度大大降低，再加上巷道原有支護(hù)條件不能為巷道提供有效的支護(hù)，這些因素是導(dǎo)致巷道發(fā)生冒頂?shù)闹饕颉?/p>

（2）針對該巷道冒頂?shù)脑颍岢觥案邚?qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索、鋼帶以及金屬網(wǎng)配合注漿”的聯(lián)合支護(hù)方式，現(xiàn)場工程監(jiān)測表明巷道圍巖控制效果較好。