含泥岩夹层巷道围岩控制技术

崔世荣

(山西吕梁中阳付家焉煤业有限公司，山西 吕梁 033000)

在煤炭的形成过程中，由于受到外部条件的影响，往往难以形成单一稳定的煤层，常常会出现不同的地质构造、煤岩互层现象，直接影响煤炭的安全高效生产[1-3]。其中煤炭中含泥岩现象最为常见，不但会降低矿井整体效益，而且会对巷道围岩稳定性造成影响，易出现巷道片帮、帮鼓甚至层位错动等现象，威胁到矿井的安全生产[4-5]。

1 工程概况

某矿主采5-2煤，煤层平均厚度6.2 m，倾角1～3°，在5-2煤层中下部存在1层软弱的泥岩夹层，厚度50～200 mm。煤层的顶板岩性以砂质泥岩和泥岩为主，少量为粉砂岩、细粒砂岩和中粒砂岩;底板主要以细粒砂岩、粉砂岩为主，煤层与顶底板明显接触。85203回采工作面位于该矿八盘区，工作面采用三巷布置，相邻工作面为85201。85203回风巷宽度为5.8 m，高度为4.4 m，断面面积25.52 m2，其中巷道顶部采用直径18 mm的钢筋托梁+钢筋网片+锚杆+锚索联合支护，帮部采用直径18 mm的钢筋托梁+钢塑复合网+玻璃钢锚杆联合支护。工作面回采过程中发现回风巷变形破坏严重，出现了帮鼓、错动、脱锚等现象，如图1所示，严重影响了矿井安全生产。

图1 巷道破坏形态

2 软弱夹层矿物成分分析

为了掌握5-2煤层中的黄色泥岩夹层的矿物成分，从正在回采的85203工作面中提取夹层岩样，进行矿物成分X衍射分析。采用型号D/max-2500的X衍射仪，采用基本强度对比法对矿物成分进行分析，试验条件选择实验室温25 ℃、湿度52%、电压40 kV、电流200 m。矿物成分如表1所示。由X衍射矿物成分分析表可知，85203工作面煤层里的夹层泥岩蒙脱石含量达55%以上，高岭石含量达24%。该夹层是以蒙脱石和高岭石为主要成分的粘土矿物泥岩。根据矿物特性，高岭石具有吸水软化性和可塑性，蒙脱石具有很强的遇水膨胀性和软化性。正是由于这两种矿物的存在，在岩层长期受到巷道潮湿环境的影响下，将为发生巷帮错动、片帮等变形现象提供有力的外部条件。

表1 X衍射矿物成分含量

3 巷道围岩内部结构特征与破坏范围测定

3.1 窥视钻孔布置

为了进一步掌握巷道的变形破坏特征，在85203工作面回风巷内选取观测点对巷道围岩进行了窥视。在巷道顶板及两帮内共布置9个窥视钻孔，其中顶板1～3号钻孔深度为10 m，1号、3号钻孔与巷道轴线夹角60°，2号钻孔垂直顶板，两帮4～9号钻孔深度为3 m，6号和9号钻孔与巷道轴线夹角30°，具体钻孔布置如图2所示。

图2 窥视钻孔布置

3.2 窥视结果分析

由于篇幅限制，图3选取了不同钻孔典型的窥视图进行分析。1～3号钻孔窥视表明，孔内轴向裂隙实际上是巷道围岩内部的垂直裂隙。巷道顶板距孔口0～3 m，围岩内部裂隙逐步开始发育;在距孔口3～6 m范围内，围岩内部垂直裂隙发育程度比较高，3号孔发育程度明显高于1号孔;距孔口6～8 m，围岩内部垂直裂隙有收敛闭合的趋势，说明巷道顶板破坏区高度在8 m范围以内。

图3 钻孔窥视

巷道正帮进行窥视钻孔施工时，出现了塌孔和溃孔现象，导致7～9号钻孔内部结构发生破坏无法观测。巷道副帮4～6号钻孔在1～2.5 m范围内巷道破坏明显，出现了明显的裂隙，但是大于2.5 m以后的围岩未见明显破坏。考虑到巷道两帮破坏的对称性，巷道帮部破坏范围为0～2.5 m，巷道破坏范围如图4所示。

图4 巷道破坏范围示意

4 巷道支护方案优化

根据以上分析结果，决定采取“泥岩表面封闭防止软化+深部加固阻滑”支护方案，对该矿5-2煤工作面回风巷支护方案进行优化，如图5所示。由于巷道顶板采用D17.8 mm×6 000 mm锚索，间排距2 m×3 m，采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆D20 mm×2 400 mm+D6.5 mm焊接钢筋网；巷道回采帮采用玻璃钢锚杆+塑料复合网支护，玻璃钢锚杆D27 mm× 2 400 mm；巷道非回采帮采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆D20 mm×2 400 mm + D6.5 mm焊接钢筋网+D16 mm焊接钢筋梁+夹层补强支护螺纹钢锚杆D22 mm×4 000 mm。补强支护：由夹层附近塑性区达3 m，设1排长度4 m、间距2 m的长锚杆加强支护。每2根长锚杆中间补1根2.4 m的锚杆，配套1条横向钢筋梁，加强对夹层附近变形的整体控制。另外对巷道内夹层采取喷射混凝上或防渗抗裂砂浆进行封闭。

图5 巷道支护设计(mm)

5 应用效果分析

为了大断面含泥岩夹层巷道支护效果，对85205回风巷进行了围岩移近量监测，观测断面布置于工作面前方100 m，工作面每天推进8 m，共能持续观测13 d，巷道围岩变形得到了很好的控制，顶底板移近量最大127 mm，两帮移近量最大148 mm，未见巷道错动变形、明显片帮、玻璃钢锚杆断裂等破坏现象，巷道整体处于稳定状态，如图6所示。

图6 巷道超前100 m围岩移近量变化

6 结 语

1) 泥岩夹层中所含矿物成分特性影响、甚至决定着巷道的稳定性。5-2煤软弱夹层中主要有高岭石和蒙脱石矿物，与水充分接触，泥岩逐渐软化，受压后产生流变，在外部条件作用下，以泥岩为分界，巷帮极易发生错动变形。

2) 通过对巷道围岩进行窥视，确定巷道顶板破坏深度为0～8 m，两帮破坏深度为0～2.5 m。

3) 确定了“泥岩表面封闭防止软化+深部加固阻滑”的支护优化方案，现场应用后，顶底板移近量最大127 mm，两帮移近量最大148 mm，未出现明显巷道破坏现象，巷道围岩变形得到了很好的控制。