淋水巷道頂板失穩原因及控制技術研究

魏曉陽

（山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

隨著煤礦巷道支護技術的發展，錨桿支護技術已經廣泛應用于現代化大型礦井之中。但對特殊地質條件的礦井而言，巷道頂板的穩定性問題并沒有得到根本解決，特別是巷道淋水的存在，不僅使得巷道圍巖強度降低，巷道難以維護，還會對頂板的支護結構和支護材料產生弱化作用，易引發頂板事故。為此，在分析頂板淋水對巖體變形破壞影響的基礎上，以潞寧礦22116 運輸巷為例，對該淋水巷道頂板不穩定的原因及其控制技術進行研究分析。

1 工程背景

22116 工作面位于二二區采區中下部，上部為二二采區22114 采空區，下部為二二采區22118 采空區。工作面平均走向長1877 m，傾向長178 m，地面標高1466～1610 m，工作面標高1037～1057 m。現主采侏2#煤，煤層厚度為1.0～5.0 m，平均厚度為3.5 m，平均傾角4.5°，煤層結構簡單，局部含有不連續薄層炭質泥巖夾矸。直接頂以細粒砂巖及泥巖為主，平均厚度16 m，抗水侵能力差；基本頂為厚度2.6 m 的中粒砂巖，上接23 m 的細粒砂巖，以石英為主，鈣質膠結。影響22116 運輸巷安全生產的主要出水層為2#煤頂板的基巖孔隙裂隙水含水層和2#煤層與3#煤層之間的砂巖含水層水。由于2#煤頂板含水層主要由大同組灰色砂巖組成，受采掘擾動的影響，裂隙水的侵蝕不僅弱化了巖體的物理力學性質，而且造成錨桿、錨索錨固失效。

2 失穩機理分析

22116 運輸巷采用矩形斷面，巷道斷面尺寸為5000 mm×3600 mm。巷道頂板采用規格為Ф22 mm×2400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，錨桿全部打設在鋼筋托梁的方格內。沿巷道中心線對稱布置規格為Ф21.6 mm×7300 mm 的高強度錨索。工程實踐表明，該支護條件下巷道頂板巖體發生崩解、破壞，支護效果不佳。根據該礦現場實測情況，結合水作用下巖石的弱化機理，分析該運輸巷頂板失穩破壞的原因有以下幾方面。

（1）受采掘擾動影響，巷道頂板的煤巖體節理裂隙進一步發育，巷道圍巖塑性區向圍巖深部擴展，裂隙連通了上部含水層水，造成巷道頂板出現淋水狀態。

（2）頂板的巖體在水侵蝕作用下改變了其物理力學性質，降低了巷道圍巖強度，從而引起頂板出現離層、下沉，如圖1（a）所示。

（3）在礦井水的長期侵蝕作用下，支護材料中的錨桿和托盤等金屬結構發生銹蝕，降低了支護結構的剛度和強度，如圖1（b）所示。此外，錨固劑遇水后其反應物粘結強度降低，破壞了錨桿和錨索支護的承載性能，弱化了其對圍巖的約束作用。

圖1 淋水巷道頂板失穩實況

3 圍巖控制對策分析

針對淋水巷道頂板發生失穩的原因，采用有控疏水技術，減少水對頂板的侵蝕弱化作用。此外，對于支護材料因銹蝕而弱化其承載性能的問題，采用高預應力錨索支護增強巷道頂板的強度。

3.1 有控疏水技術

有控疏水技術是指沿巷道走向合理布置疏水孔，有效控制水流動過程。一般來說，頂板淋水的存在不僅使巖體發生崩解破壞，還會對樹脂的錨固作用產生影響。為此，利用鉆孔探測手段，觀測頂板含水層內部裂隙分布的特點，合理布置疏水孔進行搜索性疏水，減少水對頂板的侵蝕弱化作用。

為有效控制巷道頂板水流，疏水孔的孔徑選取75 mm，傾角75°為宜，鉆孔孔口端采用硬PVC管或高強度無縫鋼管，疏水結束后應及時封堵鉆孔，并對巷道頂板進行防風隔水處理，封孔材料可根據現場情況因地制宜選取。布置的疏水孔剖面如圖2，鉆孔的長度L 為：

式中：Ll為直接頂厚度，m；L2為基本頂厚度，m；L3為疏水孔穿透基本頂含水層厚度，m。

圖2 疏水孔剖面圖

3.2 高預應力錨索支護技術

頂板穩定是巷道圍巖穩定的前提，由于巷道頂板在水侵蝕作用下弱化，這就要求支護結構在支護時能適應頂板巖體破壞階段的大變形。工程實踐表明，采用高預應力錨索支護可以有效增強支護材料的剛度和延展性，大幅度提高支護系統的整體承載性能。為此，頂錨桿采用組合梁計算，錨桿的有效控制長度l 為：

式中：l 為錨桿有效控制長度，m；L 為巷道寬度，m；K 為抗拉安全系數；q 為上覆巖層載荷，MPa；ξ 為慣性矩折減系數；σt為煤層抗拉強度，MPa；P0為水平原巖應力，MPa。

錨索的有效長度采用式（3）進行計算。

式中：α 為錨索在巖體中的控制角，（°）；qc為外部均布載荷，MPa；l2為錨索有效長度，m；φb為破碎巖體的內摩擦角，（°）；D 為錨索間排距，m；R0為承壓拱半徑，m；Ps為錨索的最大粘結力，kN。

根據該礦的水文地質資料，結合現場實際情況，由式（2）和式（3）求得該巷道的支護參數如圖3。巷道頂板采用的錨桿規格和間排距與原方案保持一致，配套高強度加長螺母，并在螺母與托盤之間添加墊圈，提高錨桿預應力的擴散效果；同時，將錨索規格優化為Φ21.6 mm×4300 mm，材質和間排距保持不變。巷道頂板鋪設5400 mm×800 mm 的雙層網，里層為塑鋼網，外層為菱形金屬網。此外，為預防巷道回采期間圍巖松動圈進一步發育，需要對部分區域及時進行二次支護。

圖3 運輸順槽斷面支護設計

4 巷道圍巖控制效果

為檢驗該巷道頂板的控制效果，在巷道淋水段布置測站對巷道圍巖的表面位移情況進行監測，并對3#測站的監測數據進行分析，結果如圖4。

圖4 3#測站表面位移

由圖4 可知，巷道掘進初期，圍巖變形量較大，巷道頂底板移近量大于兩幫移近量，其中頂板移近量小于50 mm，兩幫移近量小于39 mm；20 d 后，巷道圍巖的移近速度逐漸降低，頂板的位移速度由3.18 mm/d 降低至0.044 mm/d，兩幫的移近速度由2.25 mm/d降至0.115 mm/d，巷道頂板處于穩定狀態。此外，監測期間的錨桿（索）等支護材料未出現銹蝕、脫落等不良情況，這充分說明該圍巖控制方案是科學的、合理的，滿足巷道支護要求。

5 結論

（1）通過理論分析揭示淋水巷道頂板失穩的原因為巷道頂板在水侵蝕作用下弱化，支護的承載性能衰減，進而導致巷道頂板失穩。

（2）針對頂板失穩的原因，采用有控疏水技術進行搜索性疏水，減少水對頂板的侵蝕弱化作用；同時采用高預應力錨索支護適應頂板巖體破壞階段的大變形，提高支護結構的整體承載性能。

（3）現場位移監測結果表明，優化后的巷道頂板移近量小于50 mm，兩幫移近量小于39 mm，監測期間的錨桿（索）等支護材料未出現銹蝕、脫落等不良情況，巷道圍巖控制效果較好，可為相同工程地質條件下巷道控制提供參考和借鑒價值。