頂板淋水回采巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志海

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 興縣 033600）

煤礦頂板事故中由于支護(hù)原因產(chǎn)生的比例占50%以上，在支護(hù)的影響因素中，大部分煤礦煤層頂板在不同程度上存在水患問題，水是影響支護(hù)的關(guān)鍵性因素。西銘煤礦8#煤層48710頂板均存在頂板局部淋水現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，在48710工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間，回采巷道受淋水頂板影響，巖石遇水泥化，掘進(jìn)效率低下；其次由于裂隙水發(fā)育的巖體中的大量突水，巷道圍巖承載性能突變。頂板破裂下沉，底板鼓起，存在較大的安全隱患。關(guān)于淋水頂板巷道的破壞和支護(hù)，國內(nèi)學(xué)者作了大量的研究，如王昆探究了含裂隙水巷道的變形破壞特征，分析了地下水對(duì)巷道的變形作用機(jī)理，具有理論指導(dǎo)作用；姚強(qiáng)嶺等分析了富水煤層巷道頂板失穩(wěn)機(jī)理，并針對(duì)失穩(wěn)機(jī)理提出了圍巖控制技術(shù)，具有參考價(jià)值；袁光明，張傳朋分析了巷道圍巖應(yīng)力重分布及變形破壞特征,研究得出耦合支護(hù)方案,并進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)和效果監(jiān)測。本文擬對(duì)西銘煤礦淋水頂板變形及支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探討。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

西銘礦是山西焦煤西山煤電集團(tuán)股份有限公司所屬的特大型現(xiàn)代化礦井，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.60 Mt，核定生產(chǎn)能力3.02 Mt/a，高瓦斯礦井。西銘井田呈條帶狀，東西走向16.9km，南北傾向4.2 km，總面積56.29km2。主采煤層為2#、3#、8#和9#煤層，目前開采8#煤層。

8#煤上分層厚度0.50～0.70m，平均0.63 m；下分層煤層厚度2.86～3.35m，平均3.26 m，厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。工作面上覆石灰?guī)r局部富含裂隙水，回采中遇地質(zhì)構(gòu)造及頂板破碎帶時(shí)會(huì)有淋水出現(xiàn)，局部淋水較大，正常涌水量15m3/h，最大涌水量100 m3/h。工作面老頂由石灰?guī)r組成，平均厚度8.80 m，直接頂由石灰?guī)r和頁巖組成，厚度分別為2.81m和2.01 m，偽頂由0.1 m的頁巖組成，底板由平均厚度3.42m的細(xì)砂巖直接底和5.02 m的細(xì)砂巖老底構(gòu)成，48710工作面綜合柱狀圖見圖1。

圖1 工作面綜合柱狀圖

1.2 原支護(hù)方案

48710工作面運(yùn)輸順槽采用矩形斷面掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度4800mm，掘進(jìn)高度3800 mm。 頂、幫錨桿采用Φ18×1800mm礦用螺紋鋼錨桿，頂錨桿4-3-4花型布置，間排距1500mm×1800 mm；幫錨桿矩形布置，間排距1500mm×1800 mm；錨索采用Φ17.8×5400mm鋼絞線，3-2-3花型布置，間排距1500mm×3500 mm；錨桿采用全長錨固，錨固劑采用CK2380型、CK2360型錨固劑各一卷；錨索采用全長錨固，錨固劑采用CK2360型六卷；錨桿、錨索托盤均采用對(duì)應(yīng)托盤；兩幫鋪設(shè)金屬網(wǎng)，規(guī)格為1700mm×3500 mm。

采用上述掘進(jìn)方式，在掘進(jìn)期間，頂板變形明顯，尤其在頂板淋水區(qū)域，支護(hù)效果大大下降，頂板破裂下沉，兩幫金屬網(wǎng)變形嚴(yán)重，由于頂板孔隙水的作用，頂板產(chǎn)生泥化，頂板孔隙增大，淋水現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，由于水的作用，降低了錨固劑粘結(jié)強(qiáng)度，錨桿大量氧化銹蝕，嚴(yán)重時(shí)錨桿產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，采用距側(cè)幫400 mm處補(bǔ)打一排單體液壓支柱，頂板變形得到緩解，由于必需的補(bǔ)強(qiáng)措施，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)率慢，月成巷不足100 m，增加了掘進(jìn)成本和維護(hù)費(fèi)用，延遲了掘進(jìn)效率，且考慮到后期回采，頂板存在冒頂風(fēng)險(xiǎn)，存在極大安全隱患。

2 頂板穩(wěn)定性分析

2.1 頂板特征

對(duì)頂板巖石物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行力學(xué)測試，測試結(jié)果見表1。

表1 48710運(yùn)輸順槽頂板物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

從上表中可以發(fā)現(xiàn)：48710運(yùn)順順槽頂板巖石強(qiáng)度低，空隙大，吸水性能強(qiáng)，遇水易軟化。在頂板長時(shí)間臨水條件下，頂板抗壓強(qiáng)度大大降低，頂板堅(jiān)固性下降，易變形，淋水區(qū)域頂板屬于不穩(wěn)定軟巖；底板巖石松散，孔隙發(fā)育，易軟化產(chǎn)生底鼓。

2.2 巷道穩(wěn)定性

在48710運(yùn)輸順槽采用KJ232(a)-F2-GCY500離層監(jiān)測儀觀測頂板，每50 m安裝一組，實(shí)時(shí)反饋頂?shù)装逑鲁亮亢偷坠牧俊Ｒ?8710工作面運(yùn)輸順槽1#測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)分析巷道變形特征，見圖2。

圖2 1#測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)

從圖2中分析可以看出：

①巷道掘進(jìn)到第10 d左右，圍巖變形量迅速增加，巷道變形受到采掘擾動(dòng)影響，之后巷道變形速率處于平穩(wěn)狀態(tài)。

②掘進(jìn)20d，兩幫變形和底鼓逐漸穩(wěn)定，40 d后，兩幫變形量保持在31mm，底鼓變形量為38.5 mm，頂板變形達(dá)到92 mm，仍在持續(xù)變形下沉。

③頂板變形量是兩幫變形量的三倍多，說明巷道變形以頂板變形為主。

2.3 淋水頂板弱化

巷道圍巖由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致頂?shù)装鍘r性不同，地下水不可避免地對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生影響。巷道掘進(jìn)過程中，頂板富含裂隙水，長時(shí)間的接觸，對(duì)頂板產(chǎn)生軟化作用。長時(shí)間的淋水會(huì)使巷道頂板的裂隙面、節(jié)理面和斷層面，產(chǎn)生剪切滑移，另外底板的長時(shí)間浸水，體積膨脹增大，底板巖石強(qiáng)度降低，引起底鼓。

地下水對(duì)巖石的軟化因素復(fù)雜，水—巖作用一般分為物理力學(xué)作用和化學(xué)力學(xué)作用，水—巖作用根本原因在于巖石受到頂板承壓水滲透壓力，產(chǎn)生的物理力學(xué)變形和化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致了巷道頂板圍巖變形。

地下水是應(yīng)力場，介質(zhì)場和化學(xué)場耦合對(duì)巖石的力學(xué)作用，擴(kuò)展了巖石的裂隙，巖石軟化，強(qiáng)度降低，擴(kuò)展、連通了巖石孔隙結(jié)構(gòu)，水—巖作用生成的物質(zhì)附著于不連續(xù)面，降低結(jié)構(gòu)面聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)面之間的剪切應(yīng)力增大，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移。由于地下水的pH值得不同，不論酸性還是堿性，會(huì)使巖體產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕，腐蝕增大了巖石孔隙率，巖石結(jié)構(gòu)一部分產(chǎn)生固態(tài)—塑態(tài)—液態(tài)的弱化過程，巖體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，抵抗能力大大下降。

水一巖化學(xué)作用的時(shí)間效應(yīng)對(duì)與巖體的力學(xué)性能影響，是巷道變形中一個(gè)很重要的因素，復(fù)雜的化學(xué)作用會(huì)產(chǎn)生離子交換，溶解和水解作用，長時(shí)間不采取措施，直接導(dǎo)致頂板巖石力學(xué)性能產(chǎn)生巨大的變化；地下水還會(huì)對(duì)錨固性能產(chǎn)生影響，主要可以分為水對(duì)錨桿、錨索桿件的影響和錨固劑與桿件、巖石接觸面的影響，當(dāng)親水性樹脂錨固劑遇水后，凝結(jié)時(shí)間延長，錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致了錨桿、錨索錨固力下降，當(dāng)桿體受力，錨桿拉拔力無法達(dá)到錨固力要求，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生脫落，支護(hù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；另外由于地下水一般呈酸性，長時(shí)間接觸，對(duì)錨桿、錨索金屬桿體會(huì)產(chǎn)生氧化銹蝕，桿體承載性能下降，錨固范圍下降，原有的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能提供主動(dòng)支護(hù)，錨桿、錨索的支護(hù)性能無法實(shí)現(xiàn)。

綜上分析，長時(shí)間頂板淋水會(huì)對(duì)巷道變形產(chǎn)生漸進(jìn)破壞，一方面應(yīng)優(yōu)化支護(hù)方案和合理控制頂板水，另一方面針在不同時(shí)間段，不同裂隙發(fā)育巖層，必須及時(shí)采取合理的補(bǔ)強(qiáng)措施，避免頂板事故的產(chǎn)生。

3 巷道圍巖控制

3.1 支護(hù)原理

針對(duì)淋水頂板巷道變形機(jī)理，應(yīng)根據(jù)其變形特征及原因，對(duì)癥下藥，采用高強(qiáng)度和耐腐蝕的錨桿、錨索，以及采用疏水性的樹脂錨固劑，共同配合對(duì)頂板進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，發(fā)揮高強(qiáng)度支護(hù)性能；減小錨桿、錨索減排距，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)面抗變形強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)面聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)面之間的剪切應(yīng)力，避免橫向滑移的產(chǎn)生；支護(hù)的穩(wěn)定，能使頂板載荷均勻分布在錨固區(qū)，連續(xù)傳遞，建立有效的預(yù)應(yīng)力承載機(jī)制；不但可以在巷道掘進(jìn)及時(shí)支護(hù)，控制巷道變形，且保證了巷道后期的穩(wěn)定，不影響煤礦的正常生產(chǎn)。

3.2 支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)上述淋水巷道變形機(jī)理、特征及支護(hù)原理，提出支護(hù)優(yōu)化方案：頂、幫錨桿采用Φ20×1800 mm左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，頂錨桿4-3-4花型布置，間排距1500mm×1500 mm；幫錨桿矩形布置，間排距1500mm×1400 mm；錨索采用Φ17.8×5400mm鋼絞線，3-2-3花型布置，間排距1500 mm×3000 mm；錨桿采用全長錨固，錨固劑采用MSK2380型、MSK2360型錨固劑各一卷；錨索采用全長錨固，錨固劑采用防水錨固劑MSK2360型六卷；錨桿、錨索托盤均采用對(duì)應(yīng)托盤；兩幫鋪設(shè)金屬網(wǎng)，規(guī)格為1700mm×3500 mm。

3.3 支護(hù)優(yōu)化效果

該支護(hù)優(yōu)化方案應(yīng)用于48710運(yùn)輸順槽后，對(duì)巷道進(jìn)行頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測，觀測數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 觀測數(shù)據(jù)

由圖3可知，該支護(hù)優(yōu)化方案應(yīng)用后，巷道頂板，底板，兩幫均在10 d后趨于穩(wěn)定，頂板下沉量為36mm；底鼓量在8d后保持穩(wěn)定，移近量為19 mm；兩幫移近量在第10 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并保持在10 mm的移近量，巷道支護(hù)效果良好，有效解決了淋水頂板巷道變形的問題。并且大大提高了掘進(jìn)速率，降低了巷道維護(hù)費(fèi)用，消除了安全隱患，對(duì)于建設(shè)安全高產(chǎn)高效礦井具有重要意義。

4 結(jié)語

1）針對(duì)西銘礦淋水頂板巷道變形大、存在較大安全隱患的問題，分析了淋水巷道頂板的變形機(jī)理和特征，并針對(duì)變形機(jī)理和特征提出了相對(duì)應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化方案，采用高強(qiáng)度耐腐蝕錨桿，減少錨桿、錨索間排距、選用防水樹脂錨固劑。

2）將優(yōu)化方案應(yīng)用于48710運(yùn)輸順槽中，并對(duì)其進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏看蟠蠼档停瑖鷰r得到了有效控制；此方案不但消除安全隱患，還提高了生產(chǎn)效率，帶來了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于類似條件的煤礦巷道支護(hù)具有工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。

3）對(duì)于淋水頂板如何更合理地采取抽防水措施，避免水對(duì)頂板長時(shí)間弱化，還有待進(jìn)一步探索研究。