淋水砂巖頂板巷道穩定性與控制技術研究

陳曉強

(山西鄉寧焦煤集團 臺頭前灣煤業有限公司， 山西 鄉寧 042100)

隨著煤礦巷道支護技術的發展，錨桿支護技術已經普遍應用于大型的現代化礦井生產中，但因受復雜的地質條件、圍巖結構特征和開采技術等影響，頂板穩定性控制問題并沒有根本解決。采空區積水作為影響煤礦巷道失穩的主要因素之一，一旦礦井產生水患，無法及時治理，在水和巖層的相互作用過程中，使得圍巖強度降低且變形增加，巷道難以維護，給工作面的安全生產帶來不利影響[1]. 近年來，多位國內外學者采用理論分析、數值模擬和現場實測等研究方法對水作用下巖石強度弱化機理展開了研究。姚強嶺等[2]研究分析了含水頂板的失穩機理，認為受巷道開挖擾動及支護的影響，使直接頂和上覆采空區產生了水力通道，粉砂質泥巖吸水后膨脹，在三向應力下崩解破壞，巷道頂板產生失穩；陳鋼林等[3]認為巖石因受到水壓力的影響，其物理力學性質發生改變，導致巖體發生變形破壞；楊天鴻等[4]通過三軸實驗發現，孔隙水的存在會引起巖體的強度和彈性模量的降低，對巖石內部裂紋擴展和貫通起到加劇作用。綜上，國內外學者分別從物理、化學等不同角度對水作用下巖石的弱化機理進行了分析，但關于水作用下頂板裂隙發育規律和如何減少水對頂板的侵蝕弱化作用研究甚少。為此，以臺頭前灣煤礦回收大巷保安煤柱綜采工作面回風順槽為例，通過理論分析和現場實踐等研究手段，對巷道淋水巷道的圍巖失穩機理和巷道支護技術展開研究，以達到安全生產的目的。

1 工程背景

臺頭前灣煤礦回收大巷保安煤柱綜采工作面位于井田中部，南、北均為采空區,東為回收大巷保安煤柱綜采工作面，西為采空區。煤巖層綜合柱狀圖見圖 1.

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

4-2號煤層為礦井主要開采煤層，地面標高+1 412.8～+1 461.1 m，井下標高+1 195～+1 225 m，結構較簡單，層理中度發育，煤層厚度2.2～3.38 m，平均厚度為2.91 m，煤層傾角平均為5°，沿煤層底板掘進，回采對地面有輕微的裂隙影響。直接頂為粉砂質泥巖，平均厚度3.19 m，抗水侵能力差；基本頂為平均厚度6.67 m的中粒砂巖，易軟化，強度低，且上面為含有積水的采空區。

回收大巷保安煤柱綜采工作面回風巷掘進期間，巷道采用錨桿(索)網支護，圍巖基本穩定，頂板無淋水現象。回風巷掘進形成7～15 d期間，在距巷口220～400 m段出現不同程度的淋水和滲水現象，現場觀測表明，此時巷道頂板下沉明顯，巖層表層泥化、剝落。

2 巷道失穩機理分析

含水頂板失穩的根本原因是水巖相互作用對圍巖的破壞，當巖層受水侵蝕弱化后，前期變形以軟弱巖層擴容變形為主，后期頂板變形向深部進一步擴展，以砂巖離層為主，特別是在水的作用下，使得巖體的強度降低，引起頂板變形失穩[5]. 根據該礦的水文地質資料，結合水作用下巖石的弱化機理，分析該回風順槽頂板失穩破壞原因有以下幾方面：

1) 受到巷道回采的影響，巖層中的原巖應力重新分布，在工程擾動影響下煤體節理裂隙進一步發育，巷道圍巖因產生塑性區不斷擴大而貫通水力通道，這些裂隙連通了基本頂積水區域。

2) 該回風巷頂板為砂質泥巖結構，在水的作用下易改變圍巖的物理力學性質，引起直接頂砂質泥巖膨脹變形，造成直接頂砂質泥巖出現嚴重的泥化、砂化現象，使得巖石的剛度和強度降低，見圖2a).

3) 根據現場觀測結果，在水的侵蝕作用下，原支護材料因托盤和桿體等結構發生銹蝕而導致錨桿承載性能弱化，且錨固圍巖樹脂遇水后其反應物黏結強度降低，破壞了錨桿支護的整體性和完整性，見圖2b)，從而引起回收大巷保安煤柱綜采工作面回風順槽的頂板失穩。

圖2 淋水巷道頂板失穩實況圖

3 圍巖控制技術分析

3.1 圍巖控制對策

基于淋水砂巖頂板巷道失穩的機理，對該回風巷作業面提出“合理布置疏水孔、錨索孔注漿保水和高預應力錨索網支護”的綜合控制手段。

1) 合理布置疏水孔。通過對該回風順槽的地質資料進行分析，根據規定布置扇形疏水孔，進行含水層搜索性疏放，疏干巖溶水及裂隙水。巷道軸向方向上，為實現疏水徹底，水平面和豎直面均呈扇形，鉆孔垂距不高于1.5 m，鉆孔平距為3 m，見圖3. 采用集中排放，以降低含水層水對頂板圍巖的侵蝕弱化作用。

圖3 疏水孔扇形布置圖

2) 錨索孔注漿保水。通過增加錨桿索的錨固長度，利用樹脂錨固劑凝固后的特性封堵鉆孔，隔絕空氣，減少水對支護材料的銹蝕作用，防止風化和巷道圍巖內部水的流失，改善施工現場作業環境。

3) 高預應力錨網索支護技術。由于砂巖頂板中的黏土礦物與水的相互作用，改變了巖體的物理力學性質，造成圍巖的承載性降低，這就要求錨網索在支護時具有一定的剛度和延伸性，以提高巷道頂板的支護效能，同時，也應注重錨索的補充支護加強作用。

3.2 支護參數設計

根據圍巖控制對策，提出如下參數設計:

1) 合理布置疏水孔。疏水孔位置見圖4，取鉆孔d75 mm，傾角75°為宜，則疏水孔的長度L為：

(1)

式中：

L1—直接頂厚度，m，取3.19；

L2—基本頂厚度，m，取6.67；

L3—疏水孔穿透基本頂含水層厚度，m，根據經驗一般取1.8；

α—鉆孔傾角，(°).

經計算，疏水孔長度應為12.07 m.

圖4 疏水孔剖面圖

2) 頂板錨索網聯合支護技術。頂板穩定是圍巖控制穩定的前提，頂錨桿和錨索協同支護控制圍巖的層狀頂板。為此，頂錨桿采用組合梁計算，錨桿的有效控制長度l為[6]：

(2)

式中：

l—錨桿有效控制長度，m；

L—巷道寬度，m；

K—抗拉安全系數，取6；

q—上覆巖層載荷，MPa；

ξ—慣性矩折減系數，取0.7；

σt—煤層抗拉強度，MPa；

P0—水平原巖應力，MPa.

對于錨索形成的組合拱，采用式(3)計算：

(3)

式中：

qc—外部均布載荷；

α—錨索在巖體中的控制角，(°)，取22.5；

φb—破碎巖體的內摩擦角，(°)；

l2—錨索有效長度，m；

R0—承壓拱半徑，m.

回收大巷保安煤柱綜采工作面回風順槽采用矩形斷面，巷道凈尺寸5 000 mm×3 300 mm. 由式(2)和式(3)求得該巷道的支護參數，支護設計圖見圖5. 根據懸吊理論，頂板采用規格為d17.8 mm×4 500 mm的高強錨索，間排距為2 700 mm×3 000 mm，每根錨索配尺寸為300 mm×300 mm×15 mm的方形托盤；錨桿采用規格為d22 mm×2 200 mm的左旋螺紋鋼高強度錨桿，每排頂板和兩幫共14根，間排距為1 000 mm×900 mm，采用2條Z2388樹脂錨固劑，預緊力大于20 kN. 此外，頂板配套使用8#鉛絲經緯網，網之間用14#鐵絲雙股扭扣，為預防巷道回采期間圍巖松動圈進一步發育，及時采取木支架、工字鋼支架或 U 型鋼可縮性支架等進行二次支護。

圖5 回風順槽斷面支護設計圖

4 應用效果

為進一步分析巷道圍巖變形特征，保證巷道的動態穩定性，對淋水區段的3#測站的巷道表面位移監測數據進行分析，結果見圖6.

圖6 3#測站表面位移圖

由圖6可知，巷道掘進初期(20～30 d)，受掘進擾動影響，圍巖變形量較大，位移以頂板下沉量為主，10 d內頂底移近量增加至39.5 mm，兩幫移近量增加至24 mm；掘進30 d后，巷道圍巖的移近速度逐漸降低，48 d后，巷道頂底板位移速度由5.18 mm/d降低至0.044 mm/d，兩幫移近速度由3.25 mm/d降至0.115 mm/d，此時該淋水范圍內的巷道處于穩定狀態。這說明采用“合理布置疏水孔、錨索孔注漿保水和錨索網支護”的綜合控制手段可以有效控制圍巖變形，保證含水頂板巷道穩定。

5 結 論

1) 根據臺頭前灣煤礦回收大巷保安煤柱綜采工作面回風順槽的地質條件，通過分析含水砂巖頂板巷道圍巖變形破壞的影響因素，為巷道頂板的控制技術提供理論基礎。

2) 通過理論分析，對該含水砂巖頂板巷道采用“合理布置疏水孔、錨索孔注漿保水和錨索網支護”的綜合控制手段，可以增強圍巖的承載性能，避免事故的發生。

3) 通過分析礦壓監測結果可知，巷道掘進初期，位移以頂板下沉為主，48 d后該淋水范圍內的巷道處于穩定狀態。這說明該控制措施可以有效控制圍巖變形，確保巷道的穩定性，避免在回采過程中出現頂板安全事故。