淋水碎裂頂板煤巷錨固試驗(yàn)研究與實(shí)踐

何富連，嚴(yán) 紅，楊綠剛，楊洪增，李 琦

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

1 引 言

樹脂錨固劑作為一種高分子復(fù)合材料，與水泥錨固劑相比，由于攪拌后具有固化時(shí)間快、黏結(jié)強(qiáng)度大、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，除少數(shù)煤礦仍采用水泥藥卷外，樹脂錨固劑已成為國內(nèi)煤礦企業(yè)煤巷錨桿索支護(hù)首選支護(hù)材料之一。然而，由于井下煤巷頂板地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著樹脂錨固劑等支護(hù)材料推廣應(yīng)用速度的加快，我國煤巷錨桿頂板事故率亦同步呈高位上升趨勢，尤其以頂板巖層富水情況下的錨桿索支護(hù)冒頂事故居多。通過對近年來我國寧東、淮南、濟(jì)寧等礦區(qū)煤巷冒頂事故統(tǒng)計(jì)，其中50%左右屬支護(hù)過程中頂板富水持續(xù)弱化錨固強(qiáng)度導(dǎo)致冒頂[2]。

國內(nèi)學(xué)者對富水性巖層頂板錨桿索支護(hù)進(jìn)行了大量的探索，劉長武等[3]研究了淋水作用下煤系頂板泥巖的軟化作用機(jī)制，馮志強(qiáng)等[4]針對淋涌水碎裂煤巷頂板研究了新型的注漿堵水材料，勾攀峰等[5]重點(diǎn)研究了錨桿錨固力與鉆孔涌水量相互關(guān)系，得出當(dāng)鉆孔涌水量大于128 mL/s時(shí)，隨頂板淋水量增加錨固力會(huì)持續(xù)下降，并給出提高錨固力的途徑；李桂臣等[6]在柳海煤礦淋水頂板進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)，得出中等變形地段錨桿錨固力是無水段正常錨固效果的50%，淋水較大地段錨固力僅為無水時(shí)的 14%；許興亮等[7]研究了裂隙水滲流圍巖空間的分區(qū)及泥巖滲透性規(guī)律。但上述研究成果多是分析普通錨固劑持續(xù)浸水條件下錨固效果劣化態(tài)勢或泥巖等軟弱巖石滲水變形情況，注漿等控制手段的增加在某種程度上也加劇了采掘銜接緊張局面；本文采用新型防水錨固劑，它是從樹脂錨固劑本質(zhì)特性入手，通過改變樹脂分子活性，阻撓水分子的干擾，在有水情況下保持同等錨固力；分析了煤巷頂板粉砂巖遇水弱化規(guī)律，并在團(tuán)柏煤礦富水差異性巷道頂板分別采用防水型與普通錨固劑進(jìn)行系列錨桿索錨固力強(qiáng)度測試，為我國煤礦頂板淋涌水巷道錨桿索支護(hù)提供一種新的技術(shù)手段和安全支撐。

2 防水樹脂錨固劑原理

2.1 普通樹脂錨固劑

樹脂錨固劑最早起源于歐洲，20世紀(jì) 50～60年代開始在我國應(yīng)用，它一般由特種聚合物、高強(qiáng)填料、固化劑、促進(jìn)劑以及助劑組成。常用的樹脂錨固劑有不飽和聚酯樹脂型、聚氨酯型和環(huán)氧樹脂型等，而不飽和聚酯樹脂型憑借固化速率快、適應(yīng)性強(qiáng)、固化速率可調(diào)范圍寬及成本低等優(yōu)勢成為煤礦巷道中應(yīng)用最廣的樹脂錨固劑。對于錨固劑的固化，常采用有機(jī)過氧化酰/芳叔胺體系，然而該體系受水的影響很大，水不僅可以同芳叔胺形成分子間氫鍵，阻止芳叔胺促進(jìn)過氧化苯甲酰（BPO）分解形成自由基；而且對于親水性強(qiáng)的樹脂，水易分散在樹脂中，從使得樹脂固化質(zhì)量下降[8]。因此，篩選出耐水性強(qiáng)的樹脂和受水影響較小的膠粉已成為研發(fā)防水錨固劑的關(guān)鍵步驟[9－10]。

2.2 不同樹脂耐水性試驗(yàn)

由于普通樹脂錨固劑樹脂固化受水的影響非常顯著，因此，在有水情況下應(yīng)研究其他種類樹脂，以找出凝膠時(shí)間內(nèi)受水影響較小，即選擇親水性差的樹脂作為開發(fā)原料。通過實(shí)驗(yàn)室對挑選出來的幾種樹脂試驗(yàn)對比，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著含水率的增加，凝膠時(shí)間均相應(yīng)延長，但不同樹脂延長速度不一；SR型聚酯樹脂受水影響最大，其次是196不飽和聚酯樹脂，受含水量影響最小的是NS-1不飽和聚酯樹脂。因此，該NS-1不飽和聚酯樹脂是耐水性強(qiáng)的樹脂，成為防水型樹脂錨固劑重要成分之一。

圖1 不同樹脂凝膠時(shí)間隨含水率變化關(guān)系Fig.1 Relationships between resin gel time and water content

2.3 不同膠粉凝固試驗(yàn)

對于頂板富水性大的巖層，鉆孔出現(xiàn)淋涌水現(xiàn)象不可避免。這種情況下，對于普通錨固劑而言，在攪拌過程中常出現(xiàn)膠泥遇水變稀、凝固時(shí)間慢、錨固強(qiáng)度不夠、或直接被水從鉆孔中沖刷出來，難以達(dá)到預(yù)期錨固效果。因此，選擇一種膠粉，它既不因水的作用而使凝膠時(shí)間延長，又能保證淋涌水過程中錨固強(qiáng)度始終不受影響，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加2%的XS-1膠粉可迅速吸水，阻止水在樹脂中的擴(kuò)散，從而使得樹脂黏度不降反升，固化后體積不收縮反膨脹，保證了錨固強(qiáng)度的穩(wěn)定，且不因浸水時(shí)間錨固強(qiáng)度受到影響；同時(shí)，加入2%的XS-1膠粉與無膠粉量凝膠時(shí)間相同，凝膠時(shí)間不受影響，同無水下普通錨固劑迅速凝結(jié)達(dá)到其錨固強(qiáng)度相同，如表1所示。

表1 膠粉含量與凝膠時(shí)間關(guān)系Table 1 Relationships between scrap rubber powder content and resin gel time

3 煤系頂板粉砂巖滲水試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）從煤礦現(xiàn)場來看，主要測試頂板粉砂巖碎裂主導(dǎo)因素以及粉砂巖的強(qiáng)度弱化規(guī)律。依照簡易準(zhǔn)確的原則，取團(tuán)柏煤礦位于埋深240 m的101101巷道頂板3塊典型粉砂巖現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)裝置為一套淋水器與變流裝置，調(diào)定水流流量為126 mL/s，連續(xù)測試時(shí)間42 h，每隔6 h觀察一次，其中3#粉砂巖為實(shí)驗(yàn)對照組，2#粉砂巖每隔6 h取出，在空氣中充分暴露風(fēng)化6 h后再放入測試，如此循環(huán)，具體變形狀況描述以及前后結(jié)果見表2與圖2。

表2 試驗(yàn)巖塊變形描述Table 2 Deformation description of experimental rock blocks

圖2 試驗(yàn)巖塊破壞前后圖形比較Fig.2 Comparison of former and later deformations of the experimental rock blocks

（2）從實(shí)驗(yàn)室角度來看，主要研究煤系粉砂巖遇水強(qiáng)度數(shù)值變化情況，為下一階段采取支護(hù)措施提供理論指導(dǎo)。在團(tuán)柏煤礦101101巷道頂板粉砂巖取芯并按標(biāo)準(zhǔn)加工35塊試件，均分7組，第1組為參照組，其余各組在靜水中浸泡時(shí)間依次為t =2、5、12 h，1、3、5 d，測試得出的每組試件單軸抗壓強(qiáng)度平均值與試驗(yàn)組關(guān)系如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)組巖塊單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.3 Results of experimental test for uniaxial compressive strength

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

（1）現(xiàn)場試驗(yàn)主要從煤系頂板粉砂巖常遇到的動(dòng)水滲流、循環(huán)風(fēng)干弱化角度研究出發(fā)，1#和2#粉砂巖破壞變形狀況顯示，地下水對粉砂巖的作用是一個(gè)漸變且持續(xù)弱化的過程，從最開始的以隱伏微裂隙為主的完整巖塊發(fā)展到以橫、縱貫穿巖塊大裂隙為1級破壞主體，而擾動(dòng)新裂隙與原生裂隙次級為2級破壞主體，通過裂隙的張開、連通導(dǎo)致巖塊分裂、崩解，最后成散體巖塊的破壞變化過程；尤其是 2#粉砂巖在動(dòng)水滲流與風(fēng)干暴露的循環(huán)試驗(yàn)中，破壞發(fā)展呈倍數(shù)遞增，試驗(yàn)42 h后難以表現(xiàn)出整體強(qiáng)度。因此，煤系巷道頂板粉砂巖支護(hù)中需及時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力，使圍巖保持在三維受壓狀態(tài)，限制或減弱巖體出現(xiàn)被動(dòng)循環(huán)破壞。

（2）從實(shí)驗(yàn)室7組煤系頂板粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果得出，無滲透壓靜水侵蝕對煤系頂板粉砂巖強(qiáng)度影響不明顯，隨著浸泡時(shí)間延長，對應(yīng)的強(qiáng)度并非一直降低，而是經(jīng)歷了先緩慢增加后快速降低的過程，且?guī)r塊浸泡5 d后的粉砂巖仍能達(dá)到69.33 MPa，超過了試驗(yàn)第2組強(qiáng)度值，主要因?yàn)槊合淀敯宸凵皫r從頂板圍巖中取出后，經(jīng)過兩周的充分風(fēng)干，巖石的裂隙水和自由水已基本流失，單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，裂隙和孔隙向周邊延伸和擴(kuò)展發(fā)育，強(qiáng)度較低；而浸水2 h后，自由水回流入原來發(fā)育的裂隙和孔隙中，使巖石整體強(qiáng)度得到提高，但隨水浸泡時(shí)間的增加，水又會(huì)溶解巖石中夾雜的軟弱介質(zhì)，并使裂隙和孔隙范圍加大，導(dǎo)致整體強(qiáng)度劣化。

4 粉砂巖頂板水-支護(hù)結(jié)構(gòu)體作用分析

巷道開挖后到實(shí)際支護(hù)的這段時(shí)間內(nèi)，巷道周邊淺部圍巖由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受力，并隨頂板巖層受拉變形粉砂巖頂板裂隙隙長延伸和數(shù)目增多，在錨索支護(hù)過程中，頂板水沿著錨索孔外泄，從而影響錨固劑的支護(hù)效果[11]，同時(shí)，開挖擾動(dòng)的影響也使得頂板水能通過頂板各巖層形成的裂隙延伸至巷道煤壁內(nèi)，巷道開挖后頂板水對錨網(wǎng)索整體支護(hù)影響主要可歸納以下幾點(diǎn)：

（1）頂板水對淺部圍巖的物理化學(xué)作用。物理作用表現(xiàn)在巷道開挖后，頂板水流動(dòng)過程中會(huì)對煤巖層中的如裂隙面、節(jié)理面等不連續(xù)面邊界產(chǎn)生潤滑作用以及對巖體中結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物產(chǎn)生軟化作用；化學(xué)作用體現(xiàn)在頂板水容易滲透到巖體的礦物結(jié)晶骨架中，導(dǎo)致巖體凝聚力減??；同時(shí)通過淋水與風(fēng)干雙層影響，淺部圍巖強(qiáng)度將大幅度降低，裂隙增大，并隨服務(wù)時(shí)間增加，圍巖破壞呈逐級向徑向深處發(fā)展態(tài)勢。

（2）頂板水對幫、頂煤巖的力學(xué)作用。概括來說，即通過裂隙靜水壓力和動(dòng)水壓力使對應(yīng)的煤巖產(chǎn)生變形破壞。靜水壓力主要作用裂隙的法向方向，導(dǎo)致裂隙的擴(kuò)容變形；動(dòng)水壓力主要作用裂隙的切向方向，降低煤巖的抗切強(qiáng)度。

（3）頂板水對錨索系統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的影響作用。主要包括：錨固劑弱化、錨索托盤的銹蝕、內(nèi)部錨固點(diǎn)的影響。試驗(yàn)證明，水對攪拌時(shí)間段的樹脂錨固劑影響最大，對于普通型樹脂錨固劑，有水作用下凝固速度且親水性因素決定了此類支護(hù)可靠性程度；而隨時(shí)間錨索托盤逐步銹蝕也會(huì)減弱前期施加的預(yù)緊力，以及內(nèi)錨固點(diǎn)固化后隨含水粉砂巖層離層變形影響有關(guān)。

5 井下應(yīng)用實(shí)踐

霍州煤電團(tuán)柏煤礦是一座年產(chǎn)210×104t的礦井。10#煤層101101巷道埋深為240 m，煤層直接頂板為粉砂巖，平均厚度為2.3 m，具有水平層理；粉砂巖頂板之上為9#煤層，平均厚度為1.0 m，煤層疏軟較脆；基本頂為 K2灰?guī)r，厚度為 2.75～15.23 m，平均厚度為9 m，巖性較堅(jiān)硬，裂隙中充填方解石脈，K2灰?guī)r富水量大，掘進(jìn)支護(hù)過程中頂板部分區(qū)域淋水量超過126 mL/s，具體如圖4所示，粉砂巖層碎裂，完整性差，既影響施工速度，又帶來安全威脅。

4.1 防水錨固劑錨桿索錨固試驗(yàn)

為測試防水錨固劑在特定煤巷富水頂板中對錨桿索的錨固效果，設(shè)計(jì)并實(shí)施下列錨桿索錨固力試驗(yàn)，根據(jù)煤巷頂板不同區(qū)域富水量差異性，分為 3組，各標(biāo)定為弱淋水區(qū)、強(qiáng)淋水區(qū)、弱涌水區(qū)，每一組分別測量3根錨桿和錨索錨固力，測試設(shè)備如圖5所示。

圖4 煤巖層柱狀圖Fig.4 Histogram of coal seam and strata

圖5 錨桿索錨固力測試設(shè)備Fig.5 Test equipments for anchoring force with the cable and bolt

其中，依據(jù)101101煤巷頂板巖層情況，采用φ18 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨固長度為1 200 mm以及φ15.24 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度為4.8 m，錨固長度1 600 mm。錨桿索錨固力拉拔試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 錨桿索錨固力測試結(jié)果Table 3 Results of anchoring force test with bolt and cable

從試驗(yàn)結(jié)果看出，在弱淋水區(qū)處，普通錨固劑與圍巖形成的錨固強(qiáng)度與采用防水型錨固劑時(shí)效果差距不大，在采用錨桿索支護(hù)圍巖中兩者可相互混用。但是，當(dāng)頂板滲流量較大，即頂板處于強(qiáng)淋水區(qū)域或弱涌水區(qū)域時(shí)，普通錨固劑的錨固力作用明顯小于防水型效果，而防水型錨固劑在滲流量為140 mL/s時(shí)，仍能達(dá)到208 kN的錨固效果。因此，可依據(jù)頂板巖層富水性分區(qū)情況，對頂板錨桿索錨固劑選擇防水型或普通型，但對于強(qiáng)淋水區(qū)與弱涌水區(qū)域頂板支護(hù)，為保障支護(hù)穩(wěn)定安全，設(shè)計(jì)時(shí)最好采用防水錨固劑錨固。

4.2 井下方案設(shè)計(jì)

101101巷道斷面為矩形布置，斷面寬為3.8 m，高為 2.7 m。綜合上述試驗(yàn)研究結(jié)果及巷道工程類比法和數(shù)值模擬分析，確定出淋（涌）水型碎裂頂板支護(hù)參數(shù)，如圖6所示。

圖6 101101煤巷頂錨網(wǎng)索支護(hù)布置圖（單位：mm）Fig.6 Support arrangement diagram of roof cable and bolt on coal roadway No. 101101 (unit: mm)

錨桿為φ18 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，防水型樹脂錨固，錨固長度為1 200 mm，預(yù)緊力矩不得低于180 N·m，鉆孔直徑為28 mm，間排距均為850 mm，每排布置5根錨桿，靠煤幫的頂板角錨桿與煤幫的距離為 200 mm。錨索采用φ15.24 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度為4.8 m，鉆孔直徑為28 mm，防水型樹脂錨固，錨固長度為1 600 mm，錨索的預(yù)緊力不低于200 kN，成“一·一”布置，位于兩排錨桿中間，且處于巷道中間部位，垂直頂板，排距為1 700 mm。

4.3 井下監(jiān)測與支護(hù)效果

巷道掘進(jìn)支護(hù)后，對圍巖變形進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測。

巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?149 mm，其中頂板下沉量為126 mm，底臌為23 mm；兩幫移近量為69 mm。頂板外離層為8 mm，內(nèi)離層為3 mm，錨桿托盤處測力在12 MPa之內(nèi)。觀測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場效果均表明，新型防水錨固劑應(yīng)用以及支護(hù)中對錨桿索及時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力起到了重要作用，支護(hù)安全可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié) 論

（1）新型防水錨固劑是一種適合于淋涌水型煤巷錨桿索錨固材料。試驗(yàn)表明，NS-1不飽和聚酯樹脂及添加2%的XS-1高分子速溶膠粉能使錨固強(qiáng)度穩(wěn)定，而且并不會(huì)因浸水時(shí)間出現(xiàn)強(qiáng)度弱化現(xiàn)象。

（2）煤系頂板粉砂巖滲水試驗(yàn)得出巖塊動(dòng)水滲流與風(fēng)化暴露循環(huán)作用較單一動(dòng)水滲流或靜水浸泡更能影響巖塊的整體強(qiáng)度，試驗(yàn)通過3.5個(gè)循環(huán)共計(jì)42 h后，循環(huán)作用下巖塊基本成散體狀；無滲透壓靜水侵蝕對煤系頂板粉砂巖強(qiáng)度影響不明顯，隨著浸泡時(shí)間延長（0、2、5、12 h、1、3、5 d）試驗(yàn)巖塊抗壓強(qiáng)度經(jīng)歷了先緩慢增加后快速降低的變化過程。

（3）防水錨固劑錨桿（索）錨固試驗(yàn)得出，弱淋水區(qū)防水型錨固劑與普通型可互用；在滲流量較大的強(qiáng)淋水區(qū)與弱涌水區(qū)防水型錨固劑錨固效果基本保持穩(wěn)定，而普通型錨固劑錨固效果呈現(xiàn)隨含水率增加快速下降的趨勢。

（4）井下實(shí)踐表明，淋涌水型頂板煤巷應(yīng)用新型防水錨固劑及支護(hù)中對錨桿索及時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力是保障該類巷道頂板安全穩(wěn)定的關(guān)鍵措施。

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