含水巖層下大巷支護技術研究與應用

焦 彪

（蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 澤州 048200）

1 工程概況

蘭花集團莒山煤礦有限公司9#煤層輔運大巷掘進工作面為太原組煤層，屬石炭系太原組灰巖裂隙巖溶含水層。9#煤層主要含水層為上部太原組K5、K6 灰巖和K7 砂巖，9#煤層距K5 為17.08～27.19 m，含水層分布穩定，裂隙較巖溶發育，各含水層單位涌水量為0.004 9 L/s.m，屬弱富水性的含水層，相互間水力聯系較弱。9#煤層呈黑色塊狀特征，平均厚度1.14 m。9#煤層輔運大巷沿煤層頂板掘進，直接頂為砂質泥巖，厚2.6 m，砂泥巖上層為細砂巖，厚2.7 m；直接底為泥巖，厚4.7 m。依據9#煤層輔運大巷掘進經驗及現場實際情況，在上部含水層影響下，成巷后頂板多處淋水，巷道頂板下沉量較大，局部冒頂、片幫嚴重，需定期返修，為解決此類問題進行輔運大巷支護研究。巷道位置詳情如圖1。

圖1 9#煤輔運大巷、回風大巷位置詳情

2 含水層對巷道圍巖穩定性模擬研究

通過FLAC3D數值模擬分析含水層對巷道圍巖表面位移、圍巖塑性破壞、圍巖內應力集中情況等的影響[1-2]，以輔運大巷掘進為工程背景，結合具體的地質條件建立三維模型，模型長（X 軸）、高（Z 軸）為60 m，厚（Z 軸）為6 m，模型上方模擬300 m 埋深，巖層平均容重取2500 kg/m3，模型頂面施加均布載荷為7.5 MPa。根據礦方提供的巖石力學試驗結果確定各巖層的巖石力學參數，輔運大巷掘進斷面寬×高=5.4 m×3.6 m，煤層上覆巖層開啟Config fluid 滲流模式，巷道圍巖孔隙率為0.3，水的密度為1000 kg/m3，巷道周邊巖體內設定為300 m 埋深的孔隙水壓力，在有水、無水條件下分別計算平衡得到初始應力場，然后巷道一次開挖到位，計算平衡后觀察巷道圍巖受力、變形、破壞等特征。由于篇幅所限，僅將較典型的模擬結果給出。有水與無水條件下，巷道圍巖數值模擬結果如圖2。

圖2 數值模擬結果

由圖2（a）、（b）所示結果可以看出，無水條件下，輔運大巷頂板塑性破壞深度為1.6 m，兩幫塑性破壞深度2.0 m，底板破壞深度1.6 m；含水層條件下，頂底板及兩幫塑性破壞深度對比無水條件下可以發現，有水條件下，巷道圍巖塑性破壞深度顯著增大，約為無水條件下的2.25 倍，巷道頂角、底角部位塑性破壞深度和范圍同樣明顯增大。由圖2（c）、（d）所示結果可以看出，無水條件下，輔運大巷圍巖發生矢量位移的深度基本保持在4.0 m以下，而在有水條件下，巷道頂板、兩幫圍巖存在矢量位移的深度達到4～5.5 m，含水層影響下，圍巖出現矢量位移的范圍明顯增大。結合以上數值模擬結果，總結含水層對輔運大巷圍巖穩定性的影響，巷道圍巖內的水對巖層本身的影響主要體現：孔隙水壓在巷道開挖卸荷后形成更大的負壓力作用[3]；對圍巖的軟化作用[4]，含水層影響下，巷道掘進期間圍巖塑性破壞范圍顯著增大，巷道表面位移量明顯增大，發生矢量位移的深度增大，這必然加重支護承載負擔和支護控制難度。

3 輔運大巷支護技術

3.1 輔運大巷圍巖控制思路及措施

結合數值模擬結果，總結出含水層下大巷圍巖控制思路：提高支護強度；改善圍巖力學條件；加強頂板水的疏導措施。

根據9#煤層輔運大巷的地質條件并結合前文的數值模擬結果，提出以高強錨桿、錨索為主的圍巖控制措施：頂板和兩幫采用高強錨桿，選取適當的錨固方式。巷道淺部圍巖塑性破壞嚴重，采用高強錨桿+金屬網改善淺部圍巖的受力特征，調整巷道肩角處錨桿角度，減小頂板和兩幫間的錯動。合理配置錨索：以求對圍巖的協同控制，頂板和兩幫均需布置錨索，選擇合適的錨索長度。巷道表面噴漿封閉：通過表面噴漿，提高巷道表面圍巖的整體性，充分發揮錨桿、錨索的作用，調動深部穩定圍巖的錨固效果。綜上所述，9#煤層輔運大巷圍巖控制思路如圖3。

圖3 輔運大巷圍巖聯合支護思路

3.2 輔運大巷支護方案設計

9#煤層輔運大巷采用“高預應力高強錨桿+預應力錨索+混凝土噴漿”的聯合支護方案。錨桿選用規格為Ф22 mm×2500 mm 高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板中間5 根間排距1.0 m，最邊緣錨桿間距0.6 m，錨桿向巷道外側傾斜30°，兩幫錨桿間排距1.0 m，每根錨桿均采用CK2369 樹脂藥卷錨固劑一支，錨桿直接由7 孔W 鋼帶聯結，鋼帶寬200 mm，長5400 mm；頂板和兩幫錨索選用Ф15.6 mm×6500 mm 鋼絞線，間排距2.4 m×4.0 m，頂板每排4 根，頂板4 根錨索沿巷道中線兩側對稱布置，均沿頂板法線方向安裝，兩幫每側每排2 根，較上部一根距頂板1.6 m，較下部一根距底板1.0 m，每根錨索采用3 根CK2360 樹脂藥卷進行錨固；鋼筋梯子梁由Ф14 mm 光圓鋼筋焊接；金屬網采用6#鋼筋焊接，網格為100 mm×100 mm，搭接長度100 mm，用16 號鐵絲聯結，雙絲雙扣，隔孔相連。頂板和兩幫噴射混凝土厚度100 mm，混凝土標號C20；鋪底厚度為200 mm，混凝土標號C30。根據輔運大巷掘進期間頂板淋水情況，酌情設置疏水孔和導水槽。9#煤層輔運大巷支護詳情如圖4。

圖4 輔運大巷支護斷面

4 輔運大巷聯合支護技術應用效果分析

9#煤層輔運大巷采用上述支護方案工業試驗期間，在輔運大巷過后方聯絡巷50 m 處布置測點，采取十字布點法定期記錄巷道表面的位移情況，每天早班和晚班各記錄一次，兩次結果的平均值為監測數據，選取適當的數據，整理得到輔運大巷表面位移量變化曲線如圖5。如圖5 所示，掘巷前期，巷道表面變形量并不大；截至第22 d，頂底板移近量僅為24 mm，兩幫移近量僅為15 mm；在成巷第20～60 d，圍巖變形量明顯增大，頂底板移近量增大至126 mm，兩幫移近量增大至72 mm；而在成巷60～120 d 期間，圍巖變形量僅有微小的增加，頂底板移近量僅增大5 mm，兩幫移近量增大4 mm，表明此時巷道圍巖已趨于穩定。結合現場情況可認為：“高預應力高強錨桿+預應力錨索+混凝土噴漿”聯合支護措施有效控制了輔運大巷的圍巖變形，取得了較好的支護效果。

圖5 輔運大巷表面位移曲線

5 結論

以9#煤層輔運大巷掘進為工程條件，通過數值模擬、現場工業試驗、礦壓監測等手段，研究含水層下大巷圍巖控制技術，所得結論如下：

（1）含水層影響下，巷道圍巖破壞范圍和程度明顯增大，巷道表面位移量也顯著增大，含水層增大了巷道圍巖的控制難度。

（2）提出采用高應力高強錨桿、合理配置錨索、巷道表面噴漿封閉、酌情設置疏水孔和導水槽等聯合支護方案。

（3）“高預應力高強錨桿+預應力錨索+混凝土噴漿”聯合支護技術能夠有效控制輔運大巷的圍巖變形，保證大巷圍巖的長期穩定。