松軟有淋水煤巷支護技術應用

劉 真

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000）

井下巷道開挖后，圍巖應力發生改變，由三向受力轉為兩向受力，產生塑性變形。研究表明，對巷道穩定性產生決定性作用的巖層不是強度高的砂巖、灰巖等，而是頂板中存在的泥巖等強度較低的巖層。該類巖層發生離層下沉，如果支護強度不足會發生大面積的冒頂，嚴重影響煤礦的安全生產[1-5]。

新景礦8118 工作面頂板為厚度6.4 m的泥巖，并且部分地段淋水嚴重，巷道控制困難，對安全生產造成了影響。

1 工程概況

1.1 地質概況

新景礦8118 綜采工作面所采煤層為8 號煤，位于+525 m 水平，地面標高+915～+1 095 m，工作面標高+498～+578 m，埋藏深度為337～597 m。該煤層煤質好，屬中灰、中硫的優質無煙煤。工作面煤層厚度2.06～3.71 m，平均厚度2.76 m；煤層結構復雜，含有兩層穩定的夾矸，煤層傾角2°～10°，平均傾角6°。8 號煤基本頂為細粒砂巖，平均厚度7.3 m，并夾煤線，硅質膠結，交錯層理發育；直接頂為黑色泥巖，厚度6.4 m，比較破碎，夾大量菱鐵礦結核，局部相變為砂質泥巖；直接底為3.45 m 的灰黑色砂質泥巖，性硬而脆，含植物碎片化石，下部含砂量較大。

8118 工作面采用走向長壁綜合機械化開采，工作面傾斜長度200 m，走向長度2 170 m。工作面兩巷均為矩形斷面，規格為3.8 m×2.7 m。

1.2 存在的問題

（1）8 號煤的直接頂為黑色泥巖穩定性差，松軟易冒落。基本頂為細粒砂巖，含有一層煤線，裂隙發育。從8 號煤其他工作面的巷道情況來看，直接頂和基本頂的穩定性普遍較差，巷道變形嚴重，對煤礦安全生產造成了一定的影響。

（2）巷道頂板淋水嚴重。錨索安裝時遇水，會在粘結面上形成弱面，并且服務期間遭水浸泡，弱化錨固劑錨固強度，從而降低錨索的錨固力，對支護系統的穩定產生威脅。

2 數值模擬研究

2.1 模型的建立

根據測定的巖石力學參數，利用FLAC3D軟件模擬不同支護參數下對巷道圍巖的控制效果。

模型X 軸方向為工作面推進方向，頂板方向為Z 軸。計算模型的尺寸為82 m×40 m×47 m，運輸巷圍巖本構關系采用摩爾—庫侖模型。

模型上部邊界條件為應力邊界條件，應力為均布載荷q，由于本次開挖巷道埋深在467 m 左右，于是原巖應力q=γh=2 500×9.8×467=11.4 MPa，處于平衡狀態的模型見圖1。

圖1 數值模擬模型

2.2 模擬方案

利用該模型對不同錨索長度和排距下的巷道圍巖變形進行預計，模擬方案見表1。

表1 錨索模擬方案

2.3 模擬結果分析

（1）錨索長度的確定

在不同錨索長度下，巷道圍巖的變形形態基本相似，但數值大小差別較大。不同錨索長度下的巷道圍巖變形值見圖2。

圖2 錨索長度與圍巖變形的關系

由圖2可以看出，不同錨索長度下的底臌量幾乎保持不變，保持在50 mm 左右。對頂板下沉量影響最大。隨著錨索長度的增加，頂板下沉量變小，近似呈反比關系。當錨索長度為5.3 m 時，頂板下沉量為123 mm；當錨索長度小于7 m 時，長度對兩幫移近量和頂板下沉量的影響最大；當錨索長度由6.8 m 增加為7.8 m 時，對巷道頂板和兩幫的控制效果增加不明顯，因此錨索長度確定為6.8 m。

（2）錨索排距的確定

在6.8 m 錨索長度下，不同錨索排距的巷道圍巖變形見圖3。

圖3 錨索排距與圍巖變形的關系

可以看出，錨索排距大小對整個圍巖位移影響較大，尤其是頂板下沉和兩幫移近量。錨索排距為0.85 m 增加為1.7 m 后，頂板和兩幫變形量分別增加了10.1%、8.46%，說明錨索排距為0.85 m或1.7 m 時對頂板及兩幫影響并不十分明顯；當錨索排距從1.7 m 增加為2.55 m 時，頂板和兩幫變形量分別增加了32.33%、22.17%，當排距繼續增加到3.4 m 時，與排距為1.7 m 相比，頂板及兩幫變形量分別增加了68.1%、52.8%。很明顯，當排距超過1.7 m 時，圍巖移近量增長迅速，尤其是排距為3.4 m 時，頂板及兩幫變形嚴重。

3 泥巖夾層淋水巷道支護設計

3.1 支護方案

在數值模擬的基礎上，采用工程類比、理論計算等方式確定8118 工作面順槽的支護方案見圖4。

圖4 巷道支護設計

（1）頂板支護

頂錨桿為Φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，樹脂錨固，每根錨桿使用CK2340 樹脂藥卷兩支。錨桿間排距為850 mm×850 mm。頂錨桿配Φ12 mm 的鋼筋焊接的鋼筋梯子梁，寬度80 mm，長度3 600 mm。

采用Φ15.24 mm，1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，錨索長度6.8 m，鉆孔直徑28 mm，每根錨索使用CK2340 樹脂藥卷四支。錨索成“一·一”布置，布置在兩排錨桿中間，且位于巷道中間部位，垂直頂板，排距為1 700 mm。

（2）巷幫支護

錨桿規格及錨固方式：桿體為Φ18 mm 普通麻花錨桿，長度1 800 mm，每根錨桿使用兩支K3540 樹脂錨固劑，間排距為850 mm×850 mm。

3.2 鉆孔淋水防治措施

（1）在巷道頂板布置卸水孔

沿淋水大的區域頂板打孔專門用于排水，如果錨桿索鉆孔淋水嚴重，則作為泄水孔，在附近重新補打錨桿或者錨索。

（2）采用防水錨固劑

所有的錨桿和錨索均使用防水樹脂錨固劑。該類錨固劑能夠在有水的條件下起到很好的粘結、錨固作用，在支護過程中能及時承載，對頂板淋水條件下提高錨桿錨索支護的預緊力起到了很好作用。

4 現場應用

4.1 礦壓觀測內容

為了驗證新支護設計方案的控制效果，研究設計支護參數的合理性，在8118 工作面順槽中設置測站，進行礦壓觀測，主要觀測內容包括：

（1）巷道表面位移

采用十字布點法觀測，測量頻率為距掘進頭10 m 之內，每1 天觀測一次，其它時間每兩天觀測一次。

（2）頂板離層

每隔50 m 安設一個頂板離層指示儀，離層儀的淺部基點需大于錨桿長度，一般取3 m，深部基點大于錨索的長度，取7.0 m。觀測頻率與巷道表面位移觀測頻率相同。

（3）錨桿錨固力和預緊力矩

使用張拉器對錨桿錨固力進行抽檢，比例為錨桿排數的10%，每排頂和兩幫各抽檢一根。頂錨桿錨固力需大于120 kN，幫錨桿需大于80 kN。

采用扭矩扳手對錨桿預緊力矩進行抽檢，比例為錨桿排數的30%，頂錨桿每排抽檢一根。頂錨桿預緊力矩不得低于180 N·m，幫錨桿不得低于100 N·m。

4.2 礦壓觀測結果

巷道表面位移的觀測結果見圖5。

圖5 巷道表面位移觀測結果

由圖5可以看出，巷道掘進后變形速率穩定，到30 d 左右達到穩定，頂板最大下沉量為120 mm。

離層觀測數據表明，巷道離層主要發生在錨桿錨固的區域，最大離層值為25 mm，深部基點穩定，未出現離層。

在部分淋水較大的區域，部分錨桿錨固力和預緊力不足，對于不合格的錨桿進行了補打，保證了支護強度。

5 結論

1）8118 工作面順槽為泥巖頂板，且有淋水，巷道的自穩能力差，受水影響在粘結面上形成弱面，弱化錨固劑錨固強度，降低錨固力，影響支護效果。

2）數值模擬表明，錨索長度和排距對巷道頂板下沉和兩幫收斂的影響較大，最終確定錨索長度為6.8 m，排距為1.7 m。

3）通過設置泄水孔、采用防水錨固劑等措施，8118 工作面順槽斷面收縮率小，頂板最大下沉量為120 mm，保證了工作面的正常生產。