软岩巷道顶板冒漏机理分析及处理措施

王培荣

（山西煤炭进出口集团有限公司 大平煤矿，山西 襄垣046200）

顶板事故作为矿井五大自然灾害之一，虽不像瓦斯、煤尘爆炸和透水事故会造成群死群伤，但顶板事故具有发生频率高的特点，约占矿井总死亡人数的50%以上。尤其是随着矿井不断向下延伸，巷道支护难度不断加大，顶板事故发生率有增高趋势。软岩巷道不同于普通巷道，该类巷道围岩强度低、自承载能力差、节理裂隙发育程度高、岩体内聚力低，易受到矿山压力、采掘扰动和风、水作用下出现变形和破坏，故软岩巷道支护一直是矿井安全生产的重要难题。现场生产表明，软岩巷道最常见的问题是顶板离层、下沉和冒漏，对于处理软岩巷道顶板失稳常采取的处理方法为架棚支护、注射物理化学加固剂等，但这些方法的使用往往因地质条件或者现场条件的限制，效果并不显著。大平矿所采煤层为3＃煤层，该煤层直接顶为灰黑色泥岩，基本顶为泥岩和粉砂岩。受地质构造影响，回采顺槽顶板比较破碎，在掘进过程中多次出现小范围顶板冒漏现象。为了更好地指导巷道掘进，确保采掘期间巷道的稳定性，决定对本矿3302工作面软岩顺槽顶板破坏机理进行研究和分析，并根据实际提出顶板冒漏处理方案。

1 软岩巷道顶板失稳现场观测

1.1 巷道概况

3302工作面回风顺槽沿3＃煤层顶板掘进，属煤巷，南邻3301工作面采空区，巷道设计规格为4.5m×3.7m，设计长度为1540m。3＃煤层以亮煤为主，夹有少量的暗煤，煤层厚度为3.5～5.1m，平均为4.5m，煤层倾角为7°～12°，平均为8.6°，普式硬度系数f＝0.7～1.3，整体属于松软易碎煤层。顺槽顶底板岩性较简单，伪顶为厚0.1～0.2 m的灰黑色泥岩，直接顶为厚2.5m的灰黑色泥岩，局部夹有少量深灰色粉砂岩，泥岩节理裂隙发育程度较高；基本顶为厚5.6m的泥岩～粉砂岩，为微弱含水层。在巷道掘进期间，共揭露正断层4个，落差均小于4m，不排除随着巷道的掘进，还会揭露断层等地质构造。在顺槽掘进期间会经常性的出现小范围顶板冒漏现象，尤其是在过断层期间表现更为明显，故顶板管理难度较大。

1.2 顶板失稳实测

通过掘进期间对3302工作面回风顺槽的观测，发现顺槽顶板变形破坏具有非均匀性、阶段性。非均匀性是指巷道顶板破坏从浅到深的破坏程度不均匀，不同条件下巷道破坏情况具有不均匀性，即顶板浅部围岩较深部围岩变形速度和变形量较大，围岩完整性和强度较高地段巷道顶板失稳破坏程度较轻；阶段性是指巷道出现变形破坏具有一定的时间效应，在巷道开挖初期，顶板变形较剧烈，随着时间的推移，顶板围岩变形逐渐减弱直至稳定。但是对于存在顶板淋水现象时，巷道顶板岩体易发生水理作用致使岩体出现崩解和破坏，围岩将长期保持某一相对稳定的变形破坏速度。

资料显示，对于软岩巷道，顶板裂隙的出现和发展是随时间不断加剧的过程，且顶板裂隙发育是由巷道顶板表面向深部逐渐扩展的，故裂隙分布以浅部为主。为了掌握该顺槽顶板深部岩体破坏情况，分别在回风顺槽和运输顺槽布置两个钻孔，分别位于3302回风顺槽300m、600m和3302运输顺槽600m和900m，钻孔深9m左右，孔径33mm，钻孔垂直顶板方向布置，利用YTJ型岩层探测仪，每隔两天进行一次钻孔窥视，并将所测情况进行归纳分析。由钻孔窥视结果可知，在巷道稳定性较好的区段，顶板完整性较好，未出现明显离层、裂隙和破碎带；在存在淋水的稳定顶板区段，观测初期，巷道顶板完整性较好，随着时间的延续，在巷道顶部上方0.4～3.2m处出现明显的裂隙和岩体碎屑，说明水对岩体破坏影响较大；在存在淋水的顶板破碎区段巷道，顶板浅部围岩稳定性较差，在巷道顶部上方4.5m范围内存在3个明显的破碎带，且大量裂隙纵横发育，水流沿裂隙不断冲刷岩体。随着时间的延续，顶板破碎程度进一步增大，破碎带附近出现明显的顶板离层和破碎，说明该区段巷道顶板稳定性较差，需采取针对性措施进行加强支护。裂隙空间分布规律见图1。由图1可知，随着不断向顶板深部延伸，裂隙空间分布逐渐降低，裂隙主要分布在巷道顶部上方3m范围内。

图1 3302工作面回风顺槽顶板裂隙空间分布规律

2 顶板冒漏机理分析

2.1 应力作用

理论研究认为，巷道失稳破坏的根本原因是原始应力的改变导致。巷道开挖后原岩应力遭受破坏，顶板应力重新分布，在这期间是应力均衡→不均衡→均衡的过程，具体表现是岩体由稳定状态经失稳后逐步趋于稳定。在这期间，巷道顶板因岩性、地质水文等因素的影响造成顶板垮冒；另外，巷道开挖还会造成巷道围岩局部应力集中现象，造成应力集中区范围内的岩体更加破碎，同时在矿山压力、水理作用和采掘扰动等相关因素的影响下出现顶板破坏和冒漏。

2.2 巷道围岩特性

3302工作面回风巷直接顶和伪顶岩性为泥岩，基本顶为泥岩和粉砂岩。总体来说顶板岩体结构完整性较差，岩体节理裂隙发育程度较高，强度较低，且受到地质构造带的影响，局部顶板变得更加破碎，抗风、水作用能力大幅度下降。根据顶板分类可知，该直接顶属于不稳定顶板，在采掘过程中易出现顶板松散冒漏。

2.3 水文地质条件的影响

在巷道掘进期间，揭露落差不大于4m的正断层多个，且顶板砂岩属于含水层，对于顶板的管理和控制极为不利。理论研究表明，断层的存在会造成附近顶板出现破碎现象，同时可导通上部含水层，造成松软破碎岩体在水理作用下变得更加松软。钻孔窥视结果表明，破碎顶板或者淋水的破碎顶板岩层浅部和深部裂隙发育程度均远高于完整顶板裂隙发育，且淋水的存在可长时间使顶板破坏程度不断加剧。分析认为，巷道顶板泥岩含有30%以上的伊利石、蒙脱石等粘土矿物质，该类岩体遇水在水理作用下易出现软化、崩解和破坏，这也是导致顶板强度降低的重要因素，是引起顶板垮冒的直接诱因。

2.4 支护结构的合理性

支护理论认为，合理的支护结构是保证巷道稳定性的关键，尤其对于深部软岩巷道而言，鉴于该类巷道的复杂性，支护结构的确定应更加慎重。3302工作面回风巷采区“锚网索”联合支护，其参数的确定未能充分考虑到井下条件的复杂性，过于理想化，在掘进过程中支护后的巷道曾出现顶板小范围冒漏现象，故对于已经进行支护的巷道冒漏区域维修要采取合理的方式进行。

3 冒顶区加固维护处理

3302工作面回风巷原支护方式为“锚网索”联合支护。顶板采用规格为Φ20×2500mm的高强度锚杆和规格为Φ17.8×7500mm的低松弛螺纹钢进行支护，帮锚杆采用规格Φ18×1800mm的普通锚杆支护；顶锚杆间排距为750mm×750mm，顶边锚杆与垂直方向呈20°角布置。顶板沿中心线布置一根锚索，锚索间排距为1500mm×1500 mm；帮锚杆间排距为750mm×750mm，帮边锚杆与水平方向呈20°布置；同时，顶板和两帮在打设锚杆和锚索前需铺设金属菱形网和W钢带。在掘进期间发现，采用该支护方式可确保大部分巷道保持较好的稳定性，但是对于存在顶板破碎严重或者是长期淋水的区域，偶尔会出现顶板小范围垮冒现象，经研究决定采用加密支护和化学注浆的方式进行加固该部分巷道顶板。

3.1 加密支护

鉴于3302工作面回风巷顶板支护效果不好，同时结合该巷道顶板垮冒所引起的原因，决定对顶板破碎区域进行加密支护。具体为：选择规格Φ20×2500mm的高强锚杆作为顶板支护主体，锚杆间排距为600mm×600mm，锚索间排距为1200mm×1200mm，两帮锚杆支护参数不变，顶边锚杆和帮边锚杆角度不变，菱形网和钢带规格不变（见图2）。

图2 3302工作面回风巷顶板破碎带支护方案

3.2 化学注浆

对于断层附近、淋水严重或者顶板破碎程度较严重的地带可注射马丽散进行加固。利用玛丽散进行加固的优点是加固时间短、工艺简单、加固效果好，加固后的岩体具有良好的柔韧性，可有效地承担所受应力，同时还可以有效填充导水裂隙，可对水流起到阻挡作用。马丽散加固顶板钻孔布置见图2。钻孔直径为42mm，孔间距为1200mm，孔深为3～5m，钻孔沿巷道迎头方向打设，仰角分别为0°和15°，水平夹角为75°，注浆量根据顶板情况进行确定，注浆压力不低于10MPa。化学注浆加固后仍然采用“锚网索”加密支护进行补强支护，以确保顶板的稳定性和强度。

通过这些措施的实施，有效地解决了顶板垮冒问题，同时还可一定程度的控制顶板淋水问题。

4 结语

3302工作面回采顺槽沿顶板掘进，顶板岩性为泥岩和粉砂岩，泥岩节理裂隙发育程度高，粉砂岩为地下含水层。受到地质条件的影响，该工作面回风巷在掘进期间曾出现多次不同程度的顶板垮冒现象。通过现场实测和顶板钻孔窥视掌握了顶板破坏规律，结合实际从应力分布、支护结构、顶板岩性等多个方面对该巷道的顶板垮冒因素进行了分析，采用加密支护和化学注浆对顶板进行加固。通过该措施的实施有效地解决了顶板安全问题，对于类拟巷道防止顶板垮冒提供了参考。

〔1〕王 健，朱自为，孙学军.软岩复合型顶板的控制方法研究与应用〔J〕.山东煤炭科技，2008，（2）：91－92.

〔2〕王卫军，侯朝炯.软岩巷道支护参数优化与工程实践〔J〕.岩石力学与工程学报，2000，19（5）：647－650.

〔3〕李胜国，梁 欣.软岩巷道冒顶事故的原因与防治〔J〕.中州煤炭，2008，（5）：89－90.

〔4〕杨文新，刘丕利.马丽散加固破碎顶板工艺在双阳煤矿的应用〔J〕.中州煤炭，2006，（3）：13－14.

〔5〕刘景河，赵术江，吕晓磊，等.软岩巷道顶板支护技术实践〔J〕.煤矿开采，2012，17（3）：63－65.