李村煤礦1302工作面運輸巷頂板涌水防治技術

楊鵬飛

(潞安集團 李村煤礦，山西 長治 046600)

目前，賦存條件較好的煤炭資源儲量越來越少，賦存條件較差的煤炭資源逐漸成為開采的主要對象[1]。在復雜的地質條件下礦井突水現象頻發[2-3]，工作區域內積水嚴重，同時頂板水沿巖層裂隙不斷滲透，進而使得巷道圍巖強度不斷下降，加大了礦井的支護難度[4]，這一地質災害已逐漸成為制約礦井正常安全生產的重要影響因素，因此對礦井突水現象的有效治理已成為國內外學者的研究焦點[5-6]。

李村煤礦1302工作面運輸巷在掘進過程中出現了頂板涌水量較大且下沉明顯的現象，嚴重制約礦井的正常安全生產。以該巷道為工程背景，探究突水機理并在此基礎上提出科學有效的治理措施不僅可以保障礦井的正常安全生產，同時對于類似巷道的治理也具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

李村煤礦1302工作面開采煤層屬下二疊統山西組下部的3號煤層，該煤層賦存穩定，結構較簡單，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角為0～ 7°，平均5°，煤層頂底板情況如表1。在該工作面區域內煤層中部夾不連續的薄層炭質泥巖夾矸。1302工作面運輸巷埋深為450 m，為矩形斷面，斷面尺寸為4.5 m×3.3 m，沿煤層底板掘進，掘進總長度為1 233 m。

巷道采用螺紋鋼錨桿、預應力鋼絞線配合鋼帶進行支護，其中頂板每排打5根錨桿，間排距為1 m×1 m，采用兩支樹脂藥卷進行端頭錨固，一支規格為MSCK2335，另一支規格為MSCK2360，施加預緊力為150 kN；錨索采用三二五花布置，三根間距1.5 m，兩根間距2 m，排距均為1 m，采用三支樹脂藥卷進行端頭錨固，其中一支規格為MSCK2335，另兩支規格為MSCK2360，施加的預緊力為250 kN；巷道兩幫每排打設4根錨桿，間排距為0.8 m×1 m，錨固方式與頂板一致，巷道斷面支護如圖1所示。

表1 煤層頂底板情況

圖1 巷道斷面支護

該巷道在掘進至679 m處時頂板涌水量增大且下沉明顯，巷道內積水增多，嚴重影響礦井的正常安全生產。

2 巷道頂板涌水及下沉原因

1) 通過探測雷達與鉆孔相結合的方式對頂板進行探測，結果表明，1302工作面運輸巷頂板9～12 m處存在著砂巖空隙裂隙含水層，該含水層的平均厚度為2.5 m，主要由天池河組紫紅色砂巖、云崗組和大同組長石石英砂巖組成。大氣降水是主要的補水來源，補給條件較差，水頭較高，充水空間不發育，以風化裂隙水為主，水質為HCO3-Ca·Mg·Na型。該含水層富水性整體較弱，不會對巷道產生較大影響。

2) 運輸巷在掘進至679 m處時對該段巷道進行了原位探測，探測結果表明該段巷道圍巖所受的應力較高，巖層強度較低，在掘進擾動下頂板圍巖應力表現為復雜的加載卸載狀態，圍巖結構遭受破壞，完整性降低，裂隙明顯增多，其中豎向裂隙增加尤為明顯，如圖2所示。隨著裂隙不斷向深部擴展，最終與頂板上部的砂巖空隙裂隙含水層導通，長度較長、張開度較大的裂隙成為了導水通道，致使巷道頂板涌水量急劇增加。

圖2 頂板圍巖窺視結果

3) 通過X射線衍射實驗對巷道頂板巖樣進行測試，測試結果發現頂板巖層中親水性較強的礦物成分含量較多，例如蒙脫石、伊利石以及高嶺石，頂板涌水量增加的情況下會加速頂板圍巖吸水泥化，強度出現進一步的下降。

4) 受鄰近工作面的回采影響，頂板圍巖在采動誘發的高偏應力作用下裂隙會進一步向深處擴展，新的微裂隙也會由此產生，裂隙場進一步擴大，加劇了巷道頂板的涌水現象。

5) 錨桿索以及錨固劑長期遭受淋涌水的侵蝕浸泡，桿體出現了一定程度的腐蝕，桿體強度出現了下降。錨固藥劑的性質也發生了變化，不能與巖體進行很好的膠結，進而使得錨桿索支護效果欠佳。

3 防治措施

在掘進擾動、鄰近工作面回采擾動的共同影響下，運輸巷頂板圍巖破碎，裂隙進一步發育并向深部擴展，最終與頂板上方的砂巖空隙裂隙含水層導通，同時支護強度不能較好地保證是造成巷道涌水量較大、頂板下沉明顯的主要原因。為此，提出采用“深部引流+淺層注漿+增加支護強度”的綜合治理方案對該巷道進行治理。

3.1 深部引流

如果直接進行淺層注漿，頂板深部含水層中的水會因封堵而排泄不出來，導致水壓升高，進而對周邊圍巖造成破壞。因此在淺層注漿之前需要先進行深部引流泄壓。由于含水層位于頂板上方9～12 m，考慮到生產成本和鉆孔工藝的復雜性，并未采用在較大的鉆孔中下入止水套管的工藝，而是在施工錨索鉆孔的工藝基礎上，將導水鉆孔的孔徑適當增大。所施工的導水鉆孔分別位于巷道頂板中線以及距巷道頂板中線左右兩側1.125 m處，其中孔徑為36 mm，孔深為10 m，鉆孔排距取為1.8 m，如圖3所示。

圖3 深部引流鉆孔布置

通過在鉆孔中插入改進加長版的中空錨桿來對深部中的水進行引流，圖4為導水鉆孔剖面。

圖4 導水鉆孔剖面

3.2 淺部注漿

淺層注漿可以有效充填巷道頂板圍巖裂隙，提高圍巖完整性和強度。注漿材料選用42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥漿比重設置在1.35～1.65 t/m3之間。水泥中按照0.8%的重量比加入一定量的NaCl，這樣可以減小水泥結石體的冷凝時間。若存在注跑漿嚴重的區域，則采用水泥-水玻璃雙漿液。雙漿液使用的水泥漿比重在1.3～1.5 t/m3之間。水玻璃波美度為38Be左右，注漿中根據跑漿嚴重程度和注漿壓力來對其進行調節。

注漿鉆孔沿巷道軸線方向成排布置，間排距為1.2 m×2 m。每排中間的兩個鉆孔垂直于頂板圍巖布置，靠近巷道兩側的鉆孔與水平方向的夾角為75°，孔深均為4 m，孔徑均為45 mm，采用TXU-75型液壓鉆機進行施工，注漿孔布置如圖5所示。

圖5 注漿鉆孔布置

注漿時注漿壓力保持在4～6 MPa，瞬時壓力不得超過8 MPa，以防止壓力過高而對周圍巖體造成損傷，注漿流量為10～15 L/min，每個孔的材料注入量約為85 kg。

3.3 增加支護強度

在原有支護的基礎上，錨桿改用全長錨固技術，錨固劑更換為2335防水樹脂錨固劑，同時將錨桿的預緊力由150 kN增加至200 kN。為了增加錨索的錨固段深度，錨索長度加長至7.5 m，仍采用端頭錨固，使用的錨固劑同樣更換為2335防水樹脂錨固劑，所施加的預緊力則由250 kN增加至300 kN。通過提高錨桿索的預緊力，增加了各巖層之間的軸向壓力，進而減小了淋涌水向周邊巖體的擴散。

4 治理效果

運輸巷涌水范圍約為115 m，注漿范圍達到了126 m，共施工布置注漿孔252個，注入注漿材料累計達21 500 kg。巷道頂板經過深部引流+淺層注漿+增加支護強度進行治理后，涌水量由原來的16 m3/h降低至1.2 m3/h，降低了92.5%，有效解決了頂板涌水量較大的問題。為了了解頂板的下沉情況，在運輸巷中設置測站并對其進行了監測，圖6為治理前和治理后的巷道頂板下沉量隨監測時間的變化曲線。

從圖6可以看出，在治理后的一個月里，頂板下沉量僅為15 mm，與治理前相比，減小了83.1%，頂板下沉量較大的問題得到了有效控制，巷道圍巖穩定性得到了較大提高，滿足了礦井正常安全生產要求。

圖6 頂板下沉量隨監測時間的變化曲線

5 結 語

1) 1302工作面運輸巷在掘進擾動、回采擾動等因素影響下頂板圍巖出現破碎且裂隙進一步發育并向深部擴展，最終與頂板上覆含水層導通，與此同時支護強度不能較好地保證是造成該巷道頂板下沉明顯，涌水量較大的主要原因。

2) 通過采用深部引流+淺層注漿+增加支護強度的綜合治理方案對其進行治理，結果表明，涌水量由原來的16 m3/h降低至1.2 m3/h，降低了92.5%，頂板下沉量與治理前相比下降了83.1%，效果明顯。