赵庄煤业底抽巷顶板易冒落成因及控制对策.pdf

232020 年第 4 期 收稿日期 2019-11-02 作者简介 高赟跃（1986-），汉族，山西吕梁人，2011 年 7 月毕 业于太原理工大学阳泉学院采矿工程专业，本科，现在山西晋煤 集团赵庄煤业连掘三队从事安全生产管理工作。 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） 摘 要 针对赵庄煤业底抽巷顶板下沉严重、易冒落的问题，采用岩石矿物成分分析和物理力学参数测试的方法，采取 保证 K7 细粒砂岩保护层留设厚度、喷浆封闭、架棚支护等控制对策。结果表明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。 关键词 沿巷 破坏 机理 控制 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.04.009 Causes and Control Countermeasures of the Easily Falling Roof in Zhaozhuang Coal Industry Gao Yun-yue （Zhaozhuang Coal Industry, Jincheng Coal Industry Group, Shanxi Jincheng 048000） Abstract In view of the serious subsidence and easy caving of the roof of the bottom extraction roadway in Zhaozhuang Coal Industry, the s of rock mineral composition analysis and physical and mechanical parameters test are adopted to ensure the thickness of K7 fine-grained sandstone protective layer, shotcrete sealing, shed support and other control countermeasures. The results show that the roof subsidence of 5 measuring points is not more than 60mm, more than 80 of which is concentrated in two months after excavation, and then tends to be stable, with good control effect. Key words along roadway destruction mechanism control 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 1100mm1000mm， 242020 年第 4 期 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。 252020 年第 4 期 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 112，水灰比 0.451，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 35 。 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。 【参考文献】 ［1］ 蒋星星，李春香 .2013-2017 年全国煤矿事故统 计分析及对策 [J]. 煤炭工程，2019，51（01） 101-105. ［2］ 冯吉成，石建军，张凤岩，等 . 赵固一矿巷道复 合顶板岩层结构类型与稳定性数值模拟分析 [J]. 煤炭工程，2019，51（05）123-128. ［3］ 刘伟锋，庄昕 . 补连塔矿回风大巷冒顶机理及补强 支护技术 [J]. 煤矿安全，2019，50（08）88-91. ［4］ 张心旷 . 深井软岩巷道 U 型钢 锚索网 喷浆联 合支护技术研究 [J]. 山东煤炭科技，2015（12） 45-47. ［5］ 杨爱军 . 锚喷支护技术在复合煤层顶板采区巷道 中的应用 [J]. 山东煤炭科技，2015（09）29-30. （上接第 22 页） 设及覆岩稳定性模拟研究 [J]. 煤炭技术，2019， 38（09）11-14. ［4］ 李卫伟 . 动压巷道沿空掘巷煤柱合理宽度优化研 究 [J]. 能源与节能，2019（08）145-147. ［5］ 杜江涛 . 近距离采空区下综放工作面窄煤柱尺寸 优化设计 [J]. 煤炭工程，2019，51（07）11-14.