五里堠煤礦頂板富水對錨固結構的影響及控制研究

錢志輝

(山西潞安集團 左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600)

1 工程概況

五里堠煤礦隸屬于山西潞安集團，位于左權縣南側，礦井設計生產能力為120萬t /a。目前主采14號煤層，平均煤厚4.57 m，煤層傾角3～8°，煤層結構簡單穩定。根據鉆孔觀測，14號煤層頂底板巖性多為粉砂巖及砂質泥巖，而在1130運輸巷頂板上方有粗砂巖含水層，粗砂巖本身透水性較強，易造成頂板淋水現象。另外，頂底板中的砂質泥巖遇水后容易泥化，而錨固結構中樹脂錨固劑受水影響，黏結能力被弱化，無法穩固頂板巖層，是淋水巷道支護問題的關鍵。

2 水對錨固結構的影響分析

巷道中的支護錨固結構多為金屬材質，遇水后會產生不同程度的銹蝕，危害有：一是加速了桿體的銹蝕，使其完整性受到破壞，抗拉強度大幅度降低，造成破斷；二是對托盤及螺母的銹蝕影響，使其無法提供足夠的預應力，支護能力大幅下降；三是對樹脂錨固劑的影響，降低了其黏結作用，錨桿(索)無法錨固在穩定巖層中。因此，有必要展開水對錨固結構影響程度的研究。

2.1 數值模型的建立

采用FLAC3D有限差分模擬軟件，模擬圍巖中隨著含水率的增加支護體周圍應力場的分布情況，來分析錨固結構的支護性能受水影響的程度。在圍巖巖體中插入單個錨桿建立數值模型，其中錨桿的直徑為22 mm，長度為2 000 mm，其彈性模量賦值為200 GPa，屈服強度400 MPa。由于原巖應力會影響支護應力場的結果，因此模擬中未施加原巖應力，僅將預緊力施加在錨桿尾部。模擬中，設計了3種不同圍巖含水率的模型，來研究含水率與錨固結構弱化程度間的關系，圍巖含水率分別為2%、4%及6%，并將3種模型的錨固段長度及錨桿端部預緊力都統一設為0.5 m及110 kN。

由于水對圍巖強度也有影響，因此，在模擬前需確定出不同含水率條件下圍巖巖體的物理力學參數。在現場取得大塊泥巖及粉砂巖，不同巖性各制成5組標準試件，首先進行24 h烘干，并在水中浸泡不同時長，分別為30 min、1 h、2 h及飽水4種含水率。將浸水試件與烘干試件分別進行單軸壓縮和巴西劈裂實驗，測出粉砂巖及砂質泥巖在不同含水率下的強度參數，并通過擬合得出含水率對巖體強度影響的定量關系曲線，如圖1所示。為實現模擬與實際的統一，將擬合的關系曲線函數通過FISH語言編程到模型中，使得模擬結果更加準確。

圖1 含水率與圍巖強度關系擬合曲線

2.2 模擬結果分析

不同含水率下錨桿孔周圍的有效應力場分布情況如圖2所示，在水的影響下，錨桿與圍巖間的有效壓應力強度及范圍受到了明顯的弱化影響，錨桿的主動支護效果也大幅度降低，不能有效控制圍巖變形。

錨桿錨固在圍巖中，施加預緊力后會在周圍形成類似橢圓體的壓應力區域，壓應力較大的地方分別位于錨固端和錨桿尾部，而在中間自由段的壓應力相對較小，且向桿體周圍延展開來。壓應力分布的范圍大小及其作用強度是錨固結構起到良好支護效果的關鍵。

圖2 3種含水狀態下的支護應力云圖

由圖2可知，含水率的增加會使錨桿與圍巖間的有效壓應力作用范圍減小。當圍巖含水率在2%的狀態下，錨桿周圍形成的有效壓應力范圍為0.6 m，其中大小為0.2 MPa以上的壓應力區域為0.22 m；當圍巖含水率為4%時，位于錨桿自由段上部周圍的壓應力范圍受到了明顯的影響，且該區域0.2 MPa以上的有效壓應力未能連續形成，表明自由端上部與圍巖間的黏結作用大幅降低；當圍巖含水率為6%時，錨桿周圍的有效壓應力范圍減小至0.25 m，較含水率為2%時縮小了58.3%，且錨桿整體與圍巖在軸向方向上未出現大于0.2 MPa的壓應力，整體有效壓應力也不連續，錨固結構的性能較差。

根據上述分析，要保證含水巷道圍巖的穩定性，需先降低頂板含水量，盡可能地減小錨固結構受水的弱化影響。

3 富水頂板穩定性控制方案

根據1130運輸巷道的地質條件，其頂板砂巖含水層的高度較低，在錨索錨固范圍內，因此在鉆錨索孔時，水會順著孔流出，造成頂板淋水情況加重，進而使得錨固結構的穩定性受影響程度增加，為此，提出了錨索注漿的方案，將含水層的水堵住，防止其繼續外流。

3.1 錨索注漿措施

為防止頂板水的流動，可采用錨索注漿的措施進行保水，如圖3所示。錨索的特制托盤帶有注漿管路，錨索安裝時進行注漿，注漿完成后用速凝劑將注漿口封閉嚴實。采用該注漿措施可以預防錨索銹蝕，提高錨索的全長預緊力，并且可以截堵含水層的水，改善了頂板圍巖的狀態。

圖3 注漿錨索托盤示意

3.2 頂板支護參數設計

為改善巷道的淋水環境，頂板采用錨噴支護，對掘進工作面迎頭先預噴混凝土漿50 mm，隨后掛網并打錨桿，再進行50 mm的復噴，噴漿厚度總計100 mm。頂錨桿規格為D22 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間距900 mm，排距900 m，每排打6根；頂錨索為D18.9 mm×6 800 mm，錨索孔采用小孔徑，間排距1 000 mm×1 200 mm，每排3根；幫錨桿材質與頂錨桿一致，間排距為800 mm×900 mm。

4 支護效果分析

為驗證采用錨索注漿后的支護效果，分析改進后錨固結構的穩定性，沿巷道掘進方向每隔100 m布置1個錨桿測力的綜合觀測站，包含頂錨桿及幫錨桿，分別在掘進期間和回采期間對巷道錨桿的受力狀態進行監測。

在掘進期間，選取頂板含水較多的兩個測站進行分析，其錨桿軸向載荷監測數據如圖4所示。由數據結果可知，這兩個測站的錨桿所承受的最大載荷為31 kN，而D22 mm×2 000 mm的高強度螺紋鋼錨桿的極限破斷載荷為196 kN，說明其錨固性能未受到影響。

圖4 掘進期間錨桿受力變化曲線

錨桿安裝后，在掘進期間的受力變化不大，但在工作面回采期間，錨桿的受力持續增加，不同時間段頂錨桿的受力曲線如圖5所示。

圖5 不同時間段頂錨桿受力監測曲線

由圖5可知，載荷在錨桿軸向上非均勻分布，錨桿受力偏位于圍巖淺部，其最大受力點位于距頂板表面0.8 m深處。

隨著工作面的持續推進，受超前支承壓力的影響，錨桿承受的載荷愈加強烈，錨桿受力與工作面推進距離的關系如圖6所示。工作面推進至距錨桿30 m左右時，桿體的受力增長速率加快，表明工作面推進的超前支承壓力影響范圍為30 m左右。在回采期間，錨桿承受的最大載荷為66 kN，遠低于D22 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿的的破斷載荷。因此，提出的錨索注漿措施及支護參數能夠保證巷道的穩定性。

圖6 工作面推進距離與錨桿受力變化關系

5 結 語

巷道頂板富水會使樹脂錨固劑無法正常黏結，導致錨固結構的主動支護性能受到影響，通過不同含水率圍巖的強度實驗，得出了含水率與巖體強度的關系函數，并帶入到模擬中，得出隨著含水率增加，錨桿所形成的有效壓應力范圍和強度降低，錨固性能也隨之變差。采用錨索注漿措施可以起到對含水層流動水的堵截作用，使得頂板淋水問題得到控制。現場應用結果表明，在掘進期間及回采期間，錨桿承受的最大載荷都遠小于其破斷載荷，表明該方案有效防止了頂板淋水，保證了錨固結構的可靠性，滿足了工作面安全生產的需求。