赵庄煤业底抽巷顶板易冒落成因及控制对策

高赟跃

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西 晋城 048000）

煤矿主要的3种事故类型为顶板、瓦斯和运输事故。其中顶板事故的发生频率最高，占事故总起数的54.42%，占煤矿事故死亡人数的40%～50%，长期居高不下[1]。引起顶板事故的原因较多，首先是生产、地质条件的复杂性，岩石厚度和强度变化造成局部软弱；然后，巷道围岩长期处于矿山压力作用下，引起矿压显现如岩体的变形、破坏、塌落[2-3]；最后，巷道围岩多处在潮湿通风环境中，岩石风化，强度变低[4-5]。赵庄煤业底抽巷顶板整体下沉量大，锚杆索大量破断，甚至经常发生冒顶事故，严重影响安全使用。因此，探明底抽巷顶板易冒落成因，提出控制对策，对赵庄煤业生产安全至关重要。

1 工程背景

赵庄煤业一盘区底抽巷为盘区主要巷道之一，设计层位在煤层下方垂高8m，位于K7细粒砂岩层与K6灰岩之间，层间距2.95m，设计底抽巷高度3.2m。原始设计以K7底界面为顶板，巷高不足时，破底板K6灰岩掘进。但实际掘进过程中发现，K6灰岩过于坚硬，掘进困难，改为以K6灰岩顶界面为底板，破顶部K7细粒砂岩掘进。底抽巷层位如图1所示。

图1 底抽巷层位示意图

K7细粒砂岩层平均厚度1.6m，但不稳定，局部无K7，上方为砂质泥岩，平均厚度3m。在无K7段，砂质泥岩层直接暴露在巷道中。

底抽巷支护方式：顶板采用锚网索联合支护。锚杆长度2.4m，锚杆间排距1100mm×1000mm，每排5根，设计预紧力为150kN；锚索长度6.3m，“2-1-2”布置，当施工两根锚索时，间距1800mm，当施工1根锚索时，距两帮分别为2500mm。锚索预紧力为350kN。顶板支护示意如图2所示。

图2 巷道顶板支护示意图

底抽巷局部顶板下沉量超过500mm，十分破碎，锚杆索拉断，甚至出现冒顶造成巷道超高。经过对顶板下沉严重区域统计分析，发现底抽巷顶部K7极薄或者无K7段最为严重，K7厚度超过500mm区域顶板良好。

初步认为顶板破碎是由顶板岩石风化引起的，为了进一步确定，进行顶板岩石成分分析和物理力学参数测试。

2 顶板岩石易冒落成因分析

2.1 顶板岩石矿物成分分析

现场取顶板K7细粒砂岩和砂质泥岩块体各不少于3块，进行烘干、破碎、研磨，制作成40μm细度的粉末样品，每种岩石制作3份样品。K7细粒砂岩3个样品编号为1#、2#、3#，砂质泥岩3个样品编号为4#、5#、6#，每份样品质量3g左右。然后采用D8ADVANCE X射线衍射仪对样品进行测试，得到岩石矿物成分情况如下：

（1）K7细粒砂岩：石英平均占比43%，白云石平均占比24%，钠长石平均占比23.7%，二重高岭土平均占比8%，含少量金红石。石英物理性质和化学性质均十分稳定，而白云石、钠长石可用于制造建材、玻璃、陶瓷等，性质也十分稳定。该样品90%以上均为坚硬稳定成分，因此K7细粒砂岩强度高，性质稳定。

（2）砂质泥岩：4#、5#主要成分为石英，平均占比72.5%，高岭石占比21.5%，菱铁矿占比4.5%，含少量二重高岭土；6#样品石英占比14%，赤铁矿占比33%，白云母占比51%，含少量二重高岭土。因绝大部分为石英，砂质泥岩岩块本身强度相当大，但层间含有大量的高岭石，高岭石遇水极易发生膨胀，且菱铁矿、白云母均为易风化岩石，强度较低。

2.2 顶板岩石物理力学参数测试

将现场取回的顶板K7细粒砂岩和砂质泥岩块体制作成圆柱形或正方体标准试样。

制作过程中发现，干燥时，两种岩石均十分完整坚硬，但遇水后，水迅速在砂质泥岩层理间扩散，使砂质泥岩在轻微扰动下即沿层理崩裂成碎块。说明砂质泥岩层理发育，且层理间赋存易吸水矿物。如图3所示。

图3 砂质泥岩遇水崩裂

采用RMT-150B型岩石力学试验系统进行岩石物理力学参数测试，得到的结果如下：

（1）K7细粒砂岩：平均单轴抗压强度157.8MPa，最大216 MPa，为极坚硬、强稳定岩层；

（2）砂质泥岩：不含高岭石填充节理的砂质泥岩试件平均单轴抗压强度82.7MPa，含高岭石填充节理的砂质泥岩试件平均单轴抗压强度17.7MPa，差距十分显著。

2.3 顶板岩石易冒落成因

K7细粒砂岩矿物成分稳定，强度极高，可以作为砂质泥岩有效的保护层。

顶板砂质泥岩层理之间含有大量高岭石等易吸水膨胀矿物，长期处于潮湿通风环境中，易风化，导致性能十分不稳定。尤其是遇水时发生崩解，强度急剧下降，使顶板破碎、冒落。

3 控制对策

3.1 K7细粒砂岩厚度控制

在掘进时，由于掘进机截割不动底板K6灰岩，破顶板K7细粒砂岩时，留K7厚度不低于800mm，且尽量保证顶板完整，作为上部不稳定砂质泥岩的保护层。

3.2 支护后喷浆封闭

按照设计的锚杆索支护方式对顶板进行永久支护，施工过程中应尽量减少水的用量，支护后对顶板及顶角部位立即喷浆，封闭锚杆索孔、裂隙等漏风通道，隔绝风、水，减轻顶板风化作用。

喷浆参数：顶板及顶角喷射混凝土，喷射浆体标号C20，厚度250mm，一次成型，混凝土配合比为水泥:砂子:石子=1:1:2，水灰比0.45:1，水泥为普通硅酸盐水泥，中粒河砂，石子粒径不大于15mm，速凝剂为水泥重量的3%～5 %。

3.3 无K7段架棚支护

由于K7细粒砂岩层厚度不稳定，局部极薄甚至消失，顶板砂质泥岩层直接暴露在空气中，为了防止后期顶板下沉引起的喷浆层碎裂、漏风，顶部必须铺菱形金属网然后架棚支护，并加强顶板离层观测，防止发生突然冒落。

架棚参数：棚排距1000mm，相邻的棚之间用拉杆进行连锁。棚腿基础深200mm，分两段，均用36U型钢，搭接处采用36U钢标配的卡缆螺栓进行连接。棚梁为12号矿用工字钢，在两端焊接一段36号U型钢作为棚腿支护的卡槽。棚与巷道之间采用背板背紧背牢，相邻棚间背板的搭接必须错落有致、相对成线。如图4所示。

图4 架棚支护示意图

4 效果考察

在底抽巷内布置5个表面位移观测点，采用“十”字布点法，重点观测顶板下沉量，每15d观测一次，共观测240d。绘制的顶板下沉量曲线见图5所示。

可以看出，经过8个月观测，巷道顶板下沉已经基本稳定。5个测点顶板下沉量分别为60mm、35mm、45mm、50mm、35mm、42mm，且80%以上集中在掘进后两个月内，控制效果良好。

图5 5个测点顶板下沉量曲线图

5 结论

（1）赵庄煤业底抽巷顶板砂质泥岩层理间含有大量的易吸水膨胀矿物，遇水后沿层理发生崩裂，强度急剧下降，是易冒落的主要原因；

（2）控制对策主要针对防止顶板风化，在掘进时留设K7细粒砂岩厚度不低于800mm作为砂质泥岩的保护层，支护后快速喷浆封闭，无K7段采用架棚支护；

（3）效果考察表明，经过8个月观测，5个测点顶板下沉量均不超过60mm，80%以上集中在掘进后两个月内，之后趋于稳定，控制效果良好。