錦程煤礦頂板淋水圍巖穩定性控制技術研究

吳雪峰

（臨汾宏大錦程煤業，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

錦程煤礦目前主采9+10#煤層，位于太原組下段，煤層厚度為3.8～4.6 m，平均為4.2 m；煤層傾角0°～16°，煤層結構簡單穩定。10-205 工作面運輸順槽為矩形斷面，巷道寬3.5 m，高2.8 m，沿煤層底板掘進。巷道頂板由頂煤及泥巖構成，平均厚度2.4 m；基本頂由均厚6.2 m 的K2 石灰巖組成；底板為泥巖，厚度2.3～4.4 m，平均厚度2.9 m。

根據10-205 工作面運輸順槽掘進揭露分析，順槽掘進期間穿過金山溝向斜軸，中部低兩端高，在掘進期間多處頂板淋水。受淋水影響，巷道圍巖變形嚴重，支護構件發生銹蝕甚至脫落現象，嚴重影響安全生產，需采取一定措施保證10-205 工作面運輸順槽淋水區域的穩定性[1-5]。

2 淋水區圍巖實驗室測試

2.1 圍巖礦物成分測試

在10-20 工作面運輸順槽淋水區域和非淋水區域采集煤巖樣本，用保鮮膜包裹帶回實驗室。將兩個區域的煤巖樣本敲碎分別放入研缽中磨成200～400 目的細粉末，通過X 射線衍射儀得出兩個區域煤巖體的XRD 衍射圖譜，如圖1。圖1 中，橫坐標為2θ（°），即X 射線的衍射角度；縱坐標是響應值，單位是mAU。

圖1 10-205 運輸順槽煤巖礦物組分X 衍射圖譜

根據分析可得出以下結果：

（1）10-205 運輸順槽圍巖中的主要成分為石英、烴類、白云石、高嶺石、白云母、黃鐵礦等，其中石英、烴類、高嶺石、白云石的成分含量較高。

（2）圍巖遇水后，高嶺石等軟巖發生膨脹變形，導致圍巖強度降低。另外，圍巖中的白云母受水化作用影響，內部結構發生變化，導致煤巖體的內聚力降低。

（3）由礦物成分定量分析結果可知，淋水后的煤巖樣本中方解石及斜長石的含量均不同程度的減少，而高嶺石的含量則顯著增加。這是由于礦井中含水層的水多呈酸性，方解石被酸性水溶解，而斜長石內的陰離子則發生水化反應生成了高嶺石。在礦井水的溶蝕作用下，煤巖體的力學強度大幅降低，變形量也隨之增大。

2.2 頂板水質分析

10-205 工作面運輸順槽的頂板淋水主要來源于上覆含水層，通過對含水層水及頂板淋水取樣測試，對比分析兩個區域水中的pH 值及離子濃度變化，驗證礦井水與圍巖的水解溶蝕作用。

通過探測鉆孔在含水層取樣4 L，在頂板淋水處取樣4 L，并對水樣進行化學分析，得出結果見表1。

由表1 可知，10-205 工作面運輸順槽頂板上方含水層的水pH 值為5.49，表現為酸性，這是由于9+10#煤層含硫量較高，硫化礦物的氧化會導致礦井水pH 值變小。而頂板淋水水樣的pH 值為7.55，水樣成分中鉀離子濃度增加了47.8%，鈉離子濃度增加了11.9%，而鐵離子濃度減少了95.7%，這是由于方解石與酸性礦井水發生中和反應，斜長石遇水溶解生成高嶺石的過程中導致了水分中離子溶度的變化。另外，由于鉀離子及鈉離子等陽離子的增加，氫離子的生成受到了抑制，導致了頂板淋水呈弱堿性。

表1 井下水樣分析結果/（mg/L）

2.3 淋水煤巖微觀結構變化

巷道煤巖遇水后成分變得復雜，需通過掃描電鏡儀分析遇水后煤巖的微觀結構變化特征，如圖2。

由圖2（a）、（b）可知，10 μm 微觀尺度下，非淋水煤巖的表面較粗糙，礦物質和有機物等呈碎屑狀分布，且存在較多裂隙、孔隙，為水的流動提供了通道；1 μm 微觀尺度下，高嶺石呈片狀分布，各礦物成分間的膠結性較差。由圖2（c）、（d）可知，10 μm 微觀尺度下，煤巖淋水后，表面礦物質受水溶蝕作用更加破碎，經水沖刷后，形成凹陷和孔洞；1 μm 微觀尺度下，淋水煤巖的裂隙、孔隙發育程度更高，形成大量水力通道。綜上所述可知，10-205 工作面運輸順槽煤巖體存在較多的自生裂隙，且礦物質間的膠結性差，在酸性礦井水的溶蝕作用下，其微觀結構發生變化，裂隙等進一步擴張，強度大幅度降低。

圖2 10-205 運輸順槽煤巖微觀結構特征

2.4 煤巖物理力學參數測試

通過紗線切割機將煤巖樣制成標準試件，并分為兩組，一組進行干燥處理，烘干水分，另一組用井下含水層水樣浸泡至飽水狀態。采用伺服機等設備對干燥及飽水兩組煤巖樣本的抗壓強度、抗拉強度、內聚力等力學參數進行測定，測試結果見表2。

表2 煤巖物理力學參數測定結果

由表2 可知，飽水后的煤巖體力學強度明顯降低，不利于巷道圍巖的控制。

3 富水頂板穩定性控制方案

3.1 淋水段圍巖失穩機理

通過上述實驗分析結果可知，10-205 工作面運輸順槽的圍巖成分多為方解石、白云母、高嶺石等黏土礦物，屬于較軟弱圍巖，在酸性礦井水的溶蝕作用下，圍巖孔裂隙發育，強度降低。隨著巷道掘進，在應力作用下，圍巖孔裂隙進一步發育擴張，為水流提供了更多的通道，導致圍巖破壞形成惡性循壞，變形量持續增大。

3.2 圍巖控制方案

（1）針對順槽頂板淋水來源，有針對性地進行探放水，采用物探、鉆探等方法在掘進前對頂板上方含水層的水量及水壓等進行探測，做到有掘必探。另外，錨索采用防水型錨固劑進行全長錨固，并用泥漿封孔，淋水段巷道表面進行噴漿處理，對頂底板破碎區域進行注漿加固，降低水的流動性，保證圍巖及錨固結構的強度。

（2）根據淋水段巷道圍巖失穩機理，綜合考慮支護強度及經濟效益，對10-205 工作面運輸順

槽的支護方案進行優化。在非淋水段巷道支護布置方式的基礎上，采用Φ20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿代替原支護中的頂錨桿，間距為1000 mm，排距為1000 mm；主幫錨桿改用Φ20 mm×2000 mm的高強度玻璃鋼錨桿支護；副幫螺紋鋼錨桿的規格改為Φ20 mm×2000 mm，數量增加至4 根，間距850 mm，排距1000 mm。具體支護方案如圖3。

圖3 巷道支護斷面圖（mm）

4 支護效果分析

為分析評價圍巖控制方案的效果，采用十字布點法對淋水段巷道圍巖的變形進行監測，監測結果如圖4。

由圖4 可知，巷道掘進通過頂板富水區初期，圍巖變形幅度較大，后逐漸趨于平穩，頂底板最大移近量約為50 mm，兩幫最大移近量約為40 mm，圍巖變形量較小。說明該方案有效提高了巷道圍巖的穩定性，滿足礦井安全生產要求。

圖4 掘進期圍巖移近量變化曲線

5 結論

（1）通過礦物成分及水樣成分測定、微觀結構掃描分析以及圍巖物理力學強度測試，得出了10-205 工作面運輸順槽淋水段圍巖變形失穩的主要原因，即富含黏土礦物的煤巖體與酸性礦井水發生水化反應，造成圍巖強度降低，在采動應力作用下進一步變形破壞。

（2）結合淋水巷道圍巖失穩機理，提出“防治水為主，兼顧補強支護”的圍巖控制對策，優化支護方案并應用于現場。

（3）采用該方案后，巷道通過淋水區域時，頂底板最大移近量約為50 mm，兩幫最大移近量約為40 mm，圍巖變形量較小，保證了井下安全高效生產。