古城煤礦淋水頂板動壓巷道圍巖變形特征與支護技術研究

王強

（山西潞安礦業（集團） 有限責任公司 古城煤礦,山西 長治 046000）

0 引 言

近年來，礦井巷道掘進日益增加，受動壓影響巷道控制越發困難1-3]，尤其對于受巷道頂板淋水影響，巷道圍巖變形嚴重[4-6]，亟需尋找一種淋水頂板動壓巷道的圍巖控制技術，解決頂板淋水造成巷道失穩的問題。國內學者在含水圍巖巷道做了大量研究。趙永峰[7]為解決淋水巷道冒頂問題，分析了巷道掘進前期無淋水與后期淋水的圍巖變形特征，采用注漿加固+架棚的支護方式，減小巷道的變形；盧恒等[8]通過多種方法結合，得到頂板淋水對巷道塑性破壞加劇，降低錨桿索的錨固力，采用防水錨固劑有效控制錨桿索的失效問題；王俊萍等[9]利用實驗室監測含水巖層的化學成分，分析了水巖之間的相互作用，得到開采擾動影響裂隙水的流動，但是水質的影響較??；鄭凱凱等[10]對破碎頂板巷道多地點淋水問題，提出了封堵漏水和注漿加固的控制方案，成功解決頂板淋水大的問題，有效控制圍巖穩定性。綜上所述，大部分頂板淋水巷道多采用加固注漿的方式進行補強，而對于巷道的支護整體性以及提高支護錨固力方面研究較少，因此需要對其進行進一步的研究。

1 概 況

古城礦S1306 工作面布置如圖1 所示。S1306工作面南接S1308 工作面，周圍無其他工作面。工作面埋深612.11 ～649.23 m，主采3 號煤層，煤層厚度為3.35 ～9.65 m，平均6.05 m；煤層平均傾角為+5°～+8°，屬于近水平煤層；S1306 輔助進風順槽支護布置如圖2 所示。S1306 輔助進風順槽為矩形斷面，掘寬5 000 mm，掘高3 500 mm，整體支護方式采用錨網索的控制形式。頂板支護錨桿φ22 mm，長度為2 400 mm，間排距900 mm×1 000 mm；幫部間排距950 mm×1 000 mm；錨索采用φ22 mm×6 300 mm，3-3-3 布置方式，間排距為1 400 mm×1 000 mm，全部垂直安裝。3 號煤層頂板受到砂巖水的影響，S1306 輔助進風順槽受頂板淋水影響支護強度和剛度偏低，導致巷道頂角錨桿出現繃斷和局部錨索剪斷的現象，因此應結合現場實際適當提高巷道關鍵部位支護強度和剛度，并合理優化支護方案。

圖1 S1306 工作面采掘平面布置Fig.1 Layout of No.S1306 Face

圖2 S1306 輔助運輸順槽原支護布置Fig.2 The original support layout of No.S1306 auxiliary transportation crossheading

2 淋水頂板巷道圍巖變形規律分析

淋水頂板巷道圍巖應力與變形規律和巷道圍巖的含水率密切相關，因此，需要對不同巷道圍巖含水率條件下，巷道圍巖應力與變形規律進行分析。

2.1 模型建立

根據古城煤礦工程地質條件，采用FLAC3D 有限元模擬，考慮邊界影響效應，模型尺寸為50 m×5 m×37 m，模型劃分189 254 節點和175 000 個單元，如圖3 所示。模型為摩爾庫倫，沿頂掘巷，支護方式為錨桿（索） 支護；上覆巖層等效面力大小為10.75 MPa。巷道埋深430 m，在原支護基礎上，研究巷道圍巖含水率為0、0.5%、1%、1.5%、2%、4%、6%時，其塑性區和圍巖變形規律。

圖3 數值模型圖Fig.3 Numerical model diagram

2.2 模擬結果分析

圖4 為不同含水率巷道的圍巖礦壓變化曲線。模擬結果表明，巷道圍巖塑性區隨含水率的增加，塑性區體積隨之變大；最大主應力和剪應力隨含水率增加而降低；巷道變形隨巷道圍巖含水率增大隨之變大，兩幫和底板的變化幅度遠大于頂板。

圖4 不同含水率巷道圍巖應力與變形規律曲線Fig.4 Curves of stress and deformation lawof roadway surrounding rock with different water content

由巷道的礦壓變化曲線綜合分析得出，巷道礦壓隨著含水率變化存在拐點，即當含水率＜1.5%時，巷道圍巖應力變小的速度緩慢，巷道圍巖變形的增大速度亦是；當含水率＞1.5%時，巷道圍巖應力變小的速度加劇，巷道圍巖變形的增大速度亦是。

3 淋水頂板動壓巷道控制技術與方案

3.1 支護原則

結合S1306 輔助運輸順槽現場條件，按照淋水頂板動壓巷道整體支護原則，在分級支護形成頂板多層預應力結構層，整體控制巷道頂板的同時，桁架支護增加錨索的錨固力，使用防水錨固劑和防銹蝕錨桿索，減少錨桿索的銹蝕破斷，長短錨索結合分級支護頂板預應力分布如圖5 所示，可以看出單獨短錨索或者長錨索的預應力范圍遠小于長短錨索結合的預應力范圍。

圖5 長短錨索預應力場分布Fig.5 Prestress field distribution of long and short anchor cable

3.2 整體支護優化方案

結合淋水頂板巷道整體支護原理，優化支護方案如圖6 所示，頂板支護：一級支護為錨桿，采用MSGLW500/φ22 mm×2 400 mm，間排距為900 mm×1 000 mm；二級支護為短錨索支護，三級支護為長錨索；長短錨索分別采用φ22 mm×7 300（4 300） mm，錨索采用小五花布置，排距為1 000 mm，長錨索每排3 根，間距為1 400 mm，短錨索每排2 根，間距為1 800 mm，短錨索外斜15°，形成桁架支護結構，長錨索垂直打設，并采用鋼帶連接。幫部支護：錨桿間排距為950 mm×1 000 mm，除幫角以及底角錨桿外斜10°

圖6 S1306 輔助運輸順槽支護優化方案Fig.6 Support optimization scheme of No.S1306 auxiliary transportation crossheading

4 現場工業性試驗

結合淋水頂板動壓巷道整體支護方案，將優化支護方案應用于S1306 輔助運輸順槽，經過現場50 d 的圍巖監測，頂底板移近量穩定在141 mm 不變，主要表現在底鼓方面，兩幫移近量保持在166 mm 不變，巷道優化支護方案效果顯著。

圖7 圍巖變形曲線Fig.7 Deformation curve of surrounding rock

5 結 論

（1） 根據不同含水率巷道圍巖應力與變形規律，得出巷道礦壓與巷道圍巖含水率存在的拐點為1.5%。

（2） 提出淋水頂板動壓巷道整體經濟支護原理，分析分級支護作用效果，給出優化支護方案，并在現場實施，最終效果明顯。