七一新發(fā)煤業(yè)含水砂巖頂板巷道錨桿索支護(hù)技術(shù)及實(shí)踐

董懷軍 肖殿才 張廣超

（1.山西襄垣七一新發(fā)煤業(yè)有限公司，山西省長(zhǎng)治市，046200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

七一新發(fā)煤業(yè)含水砂巖頂板巷道錨桿索支護(hù)技術(shù)及實(shí)踐

董懷軍1肖殿才2張廣超2

（1.山西襄垣七一新發(fā)煤業(yè)有限公司，山西省長(zhǎng)治市，046200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

針對(duì)七一新發(fā)煤業(yè)北翼五采區(qū)頂板砂巖含水條件巷道支護(hù)難題，提出采用錨桿索支護(hù)方式控制巷道圍巖。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件分析了頂板淋涌水條件下錨桿索支護(hù)的巷道破壞特征及其維護(hù)特點(diǎn)，提出相應(yīng)的控制對(duì)策，并綜合數(shù)值模擬、理論分析、工程類比等方法確定了巷道支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得成功。

含水砂巖頂板 巷道支護(hù) 錨桿索支護(hù) 圍巖控制

1 工程概況

七一新發(fā)煤業(yè)主采3＃煤層，煤層在北翼五采區(qū)分為上、下兩層，煤層層理分明，節(jié)理發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，頂板砂巖層含水。巷道開(kāi)挖過(guò)程中，巖體裂隙不斷發(fā)育，頂板水通過(guò)裂隙與巖體發(fā)生相互作用，頂板巖體承載性能減弱，采用錨桿（索）支護(hù)則面臨錨固劑與巖體膠結(jié)面易損傷，錨固可靠性降低及錨固松弛、失效等問(wèn)題。因此，礦方多年來(lái)一直采用工字鋼支護(hù)，然而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，工字鋼支護(hù)巷道存在一定的問(wèn)題，例如巷道頂板離層量及巷道圍巖變形量大、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、巷道斷面利用率低等。故該礦改革支護(hù)方式，開(kāi)展錨桿索支護(hù)試驗(yàn)。本文以北翼五采區(qū)回風(fēng)巷為研究對(duì)象，結(jié)合頂板砂巖含水頂板的地質(zhì)水文條件，研究此類巷道的維護(hù)特點(diǎn)，分析其變形破壞特征，并找出合理、有效的錨桿索控制對(duì)策，解決此類煤巷開(kāi)采過(guò)程中的支護(hù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)礦井的安全、高效生產(chǎn)。

2 工程試驗(yàn)條件

七一新發(fā)煤業(yè)生產(chǎn)規(guī)模150萬(wàn)t／a，由于多年的開(kāi)采，南部3＃煤層基本采盡，目前僅存礦區(qū)北部3＃煤層尚未開(kāi)采，并留有永久性保安煤柱。該礦中二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層在礦井生產(chǎn)過(guò)程中影響較大，此砂巖裂隙含水層由K7砂巖及3＃煤層頂板砂巖組成。3＃煤層導(dǎo)水裂隙帶高度為40.4～60m，影響到了3＃煤層頂板以上至下石盒子組下部的地層，3＃煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板砂巖裂隙水以頂板淋水的方式進(jìn)入礦井。

3＃煤層于本區(qū)域分為上、下兩層，北翼五采區(qū)回風(fēng)巷沿煤層頂板掘進(jìn)；煤層平均厚度為2.16m，平均傾角7°，不易垮落。直接頂板為砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)粒砂巖，平均厚度為6.35m，底板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為2.16m。五采區(qū)綜合柱狀圖如圖1所示。北翼五采區(qū)回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1180m，已掘進(jìn)232m，巷道位置如圖2所示。巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形，凈斷面規(guī)格寬4.5m，高3 m，在掘進(jìn)中破底板巖層掘進(jìn)。

3 淋涌水頂板巷道維護(hù)特點(diǎn)及控制方案

3.1 淋涌水頂板錨桿（索）支護(hù)巷道變形破壞特征

錨桿（索）支護(hù)的淋涌水頂板巷道在支護(hù)初期效果較好，但隨著時(shí)間的增加，含水層中的水沿著裂隙及錨桿（索）孔道不斷進(jìn)入錨桿（索）錨固區(qū)，水對(duì)巷道圍巖的侵蝕弱化作用導(dǎo)致錨固區(qū)的巖體強(qiáng)度急劇下降；頂幫圍巖經(jīng)過(guò)2～3個(gè)月持續(xù)受水侵蝕后，也形成松動(dòng)冒落區(qū)。巷道煤巖體與水相互作用，產(chǎn)生膨脹變形，致使錨桿桿體應(yīng)力急劇升高，當(dāng)桿體應(yīng)力超過(guò)其極限載荷時(shí)，錨桿將出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，錨固段粘結(jié)失效。此外，風(fēng)化作用使托盤和錨桿金屬桿體發(fā)生銹蝕，在頂板巖層碎脹力和膨脹力引起的較大拉應(yīng)力作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

3.2 錨桿（索）支護(hù)下圍巖變形失穩(wěn)原因分析

（1）二次應(yīng)力擾動(dòng)和巖體力學(xué)性質(zhì)的軟化。巷道開(kāi)挖破壞了圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致直接頂板原生裂隙延伸擴(kuò)大、次生裂隙持續(xù)發(fā)育，致使直接頂板完整性較差；頂板巖層有親水性較強(qiáng)的泥巖，遇水后易引起頂板的軟化和崩解，考慮到時(shí)間效應(yīng)的影響，水—巖化學(xué)作用對(duì)巖體的力學(xué)效應(yīng)影響往往會(huì)比單純的物理作用更大，有時(shí)甚至比力學(xué)因素造成的損傷更為嚴(yán)重。

（2）淋涌水對(duì)煤巷圍巖破壞起“催化作用”。由于淋涌水影響，巷道開(kāi)挖后的圍巖屈服變形是在流體滲透和圍巖應(yīng)力共同作用下形成的。當(dāng)圍巖變形量達(dá)到一定值之后，流體滲透將對(duì)圍巖破壞起主導(dǎo)作用，且前者變形速度遠(yuǎn)高于后者。其次，巷道開(kāi)挖后，砂巖水通過(guò)裂隙滲透到軟弱泥巖中，致使頂板淺部圍巖呈現(xiàn)分階段加速度破壞。最后，頂板各巖層剛強(qiáng)度差別較大的情況下，各巖層遭水侵蝕逐漸膨脹軟化，造成頂板巖塊間的摩擦力不足，難以支撐其重力，加劇了頂板間離層破壞，增加了頂板整體垮落的危險(xiǎn)性。

（3）錨固結(jié)構(gòu)損傷。砂巖水對(duì)樹(shù)脂藥卷具有弱化作用，降低錨桿（索）的錨固力，腐蝕錨桿桿體，使錨桿（索）既失去了穩(wěn)定的承載基礎(chǔ)，又弱化了預(yù)應(yīng)力傳遞介質(zhì)——巖體，從而降低了錨桿（索）的預(yù)應(yīng)力作用，錨桿（索）支護(hù)效果降低。

3.3 淋涌水頂板巷道的控制對(duì)策

（1）選用具有防水性能的錨固劑。頂板淋涌水較大時(shí)，尤其在掘進(jìn)頭有滲漏水情況下，普通的樹(shù)脂錨固劑因其本身固有的性質(zhì)，其凝固時(shí)間、錨固強(qiáng)度都會(huì)受到很大影響。而具有防水性能的錨固劑能夠在有水的條件下起到很好的粘結(jié)、錨固作用，而受水分子的干擾。在支護(hù)過(guò)程中能及時(shí)承載，對(duì)頂板淋涌水條件下支護(hù)起到了很好預(yù)緊力作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室錨桿索錨固試驗(yàn)可知，防水錨固劑的錨索錨固力也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求且隨其服務(wù)時(shí)間增加，錨固效果保持恒定。因此，錨桿索錨固材料應(yīng)選用具有防水性能的錨固劑代替普通錨固劑。

（2）合理保水。合理保水包括全長(zhǎng)或加長(zhǎng)錨固技術(shù)、圍巖噴漿技術(shù)和注漿堵水技術(shù)。除了巖體裂隙外，錨桿（索）孔道成為含水層與頂巖之間的水流通道，因此，為了有效減少頂板淋水、滴水，減少水對(duì)圍巖的損傷程度，通過(guò)采用加長(zhǎng)錨固或全長(zhǎng)錨固技術(shù)，不僅能在一定程度上封堵鉆孔，也提高了錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度；選擇合理時(shí)機(jī)封閉圍巖，可防止巷道圍巖在空氣中潮解、風(fēng)化和巷道圍巖內(nèi)部水的流失，改善施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

（3）有控疏水。當(dāng)支護(hù)頂板位于涌水區(qū)域時(shí)，可沿巷道軸向布置泄水孔，泄水孔參數(shù)可以根據(jù)煤層頂板巖層的變化規(guī)律進(jìn)行確定，一般鉆孔直徑在75.0mm為宜，采用集中排放，在集中排放孔內(nèi)不安裝錨索。若布置在巷道中間的錨索孔淋水嚴(yán)重，不能安裝錨索，此孔即可為泄水孔，泄水一定程度后，在附近區(qū)域補(bǔ)打錨索。

（4）對(duì)錨索及時(shí)施加高預(yù)緊力。合理的預(yù)緊力能夠有效改善圍巖的應(yīng)力應(yīng)變特性及被錨固巖體的力學(xué)性能，增大錨固巖體的強(qiáng)度；把巷道頂板錨固范圍內(nèi)的巖層鎖緊，形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而使頂板的垂直壓力轉(zhuǎn)移到巷道兩側(cè)巖體縱深，使得錨索長(zhǎng)度范圍內(nèi)和錨桿長(zhǎng)度以上的頂板離層得以消除，改善頂板巖層在水平應(yīng)力作用下的受力狀態(tài)，從而阻止頂板持續(xù)涌水對(duì)頂板圍巖體的破壞。

3.4 圍巖塑性區(qū)范圍的確定

（1）理論計(jì)算。一般對(duì)于巷道圍巖塑性區(qū)的理論分析主要集中于均質(zhì)體中的圓形巷道，因此把巷道簡(jiǎn)化為半徑為2m的圓形巷道，視巷道周圍巖體為連續(xù)彈性體，開(kāi)挖巖體的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力相等，巷道處于雙向等壓的應(yīng)力場(chǎng)中，在無(wú)限長(zhǎng)的巷道里圍巖性質(zhì)一致。根據(jù)霍克－布朗圍巖經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則得出圍巖塑性區(qū)半徑：

式中：r0——巷道半徑，m；

P0——原巖應(yīng)力，MPa；

σc——巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

m、s、mr、sr——均為巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m、mr反映彈性區(qū)和塑性區(qū)巖石的軟硬程度，其取值范圍在0.0000001～25之間，對(duì)于嚴(yán)重?cái)_動(dòng)的巖體取0.0000001，對(duì)于完整的堅(jiān)硬巖體取25；s、sr反映彈性區(qū)和塑性區(qū)巖體破碎程度，其取值范圍在0～1之間，對(duì)于破碎巖體取0，完整巖體取1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將各參數(shù)值代入式（1），計(jì)算得巷道塑性區(qū)破壞半徑約為3.89m，式（1）中所求R為圍巖塑性區(qū)半徑，所以巷道圍巖塑性區(qū)厚度即松動(dòng)圈厚度為L(zhǎng)P＝R－r0＝1.89m。

（2）數(shù)值模擬。建立數(shù)值模擬模型，采用FLAC5.0進(jìn)行模擬計(jì)算巷道圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)破壞范圍，模型x軸方向?yàn)橄锏狼忻鏅M向，y軸方向?yàn)橄锏雷呦颍瑉軸方向?yàn)殂U垂向上。應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果圖

從圖3（a）中可以看出巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍為3.5m左右，與理論計(jì)算結(jié)果基本相符，頂板圍巖破壞深度最大，約為3.5m左右，兩幫破壞深度為2m左右，底板破壞深度也為2m左右；此外，頂板巖層與兩幫巖層破壞程度比較大，底板破壞程度較小。圖3（b）和圖3（c）分別顯示巷道周邊應(yīng)力分布范圍，從圖中可以看出，兩幫和頂?shù)装鍘r層都出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，由于巷道為半煤巖巷，在同樣的應(yīng)力條件下，巷道上部將出現(xiàn)較大量的位移，因此，要采取一定的措施，防治煤壁片幫。

3.5 合理的支護(hù)方案確定

結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬、工程類比等方法綜合確定北翼五采區(qū)回風(fēng)巷的支護(hù)方案，支護(hù)斷面參數(shù)如圖4所示。

（1）頂板錨桿索支護(hù)參數(shù)。巷道頂板錨桿為22＃左旋螺紋鋼，長(zhǎng)度2.4m，間排距為800mm×800mm，每排6根錨桿，居中布置，支護(hù)頂板兩幫側(cè)的頂錨桿垂直于頂板向外偏10°，其余錨桿全部垂直頂板；采用兩支樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，一支規(guī)格為K2350，另一支規(guī)格為Z2350，鉆孔直徑為28mm，錨固長(zhǎng)度為1270mm，托盤采用尺寸為150mm×150mm×10mm高強(qiáng)度托盤，錨桿預(yù)緊力不低于180N·m，錨桿間通過(guò)?16mm圓鋼焊接而成的梯子梁連接，托梁長(zhǎng)度4300mm。

錨索材料為?17.8mm、1×7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，長(zhǎng)度7.5m，間排距為2000mm×1600mm，每行打設(shè)兩根錨索，距幫1250mm處各打一個(gè)；采用3支Z2350樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，鉆孔直徑?28mm，錨索托盤采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)球型托盤，預(yù)緊力不低于200kN。

（2）巷幫錨桿支護(hù)參數(shù)。巷幫錨桿為22＃左旋螺紋鋼，長(zhǎng)度2.0m，間排距為800mm×800mm，每排4根，居中布置，靠近頂板的巷幫錨桿安設(shè)角度與水平方向呈＋10°，距底板300mm處的幫錨桿安設(shè)角度與水平方向呈－10°，其余錨桿水平布置；采用兩支規(guī)格為Z2350樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，鉆孔直徑為28mm，托盤為150mm×150mm×10mm拱型高強(qiáng)度托盤，錨桿預(yù)緊力不低于100N·m，錨桿間采用?16mm圓鋼焊接而成的梯子梁連接，托梁長(zhǎng)度2800mm。

（3）其它支護(hù)措施。在頂板和兩幫鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)片，頂網(wǎng)片規(guī)格為4000mm×1000mm，幫網(wǎng)片規(guī)格為3000mm×1000mm，網(wǎng)孔規(guī)格均為50mm×50mm，要求相鄰網(wǎng)搭接長(zhǎng)度100mm，16＃綁絲聯(lián)結(jié)，雙絲雙扣，每扣擰結(jié)圈數(shù)不少于3圈，聯(lián)結(jié)間距不大于200mm；初次支護(hù)后，對(duì)巷道進(jìn)行噴漿，噴漿厚度為100mm，分兩次進(jìn)行，第一次在初次支護(hù)距離達(dá)10m后，噴層厚度約50mm；第二次在第一次噴射混凝土支護(hù)距離達(dá)30m后，復(fù)噴后厚度最終達(dá)到100mm，強(qiáng)度等級(jí)C15。

圖4 巷道支護(hù)方案圖

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用效果及分析

為掌握含水砂巖頂板煤巷的錨桿索支護(hù)效果，了解其巷道圍巖活動(dòng)規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)錨桿索支護(hù)參數(shù)提供資料，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)圍巖表面位移、頂板離層及錨桿受力狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)值表明，七一新發(fā)煤業(yè)北翼五采區(qū)含水砂巖頂板煤巷采用錨桿索支護(hù)后，頂板移近量小于128m，兩幫移近量小于94mm；頂板離層值為0mm；錨桿托盤處測(cè)力顯示保持在12MPa以內(nèi)，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測(cè)期間，錨桿索錨固效果較好，未出現(xiàn)支護(hù)材料松脫、鉆孔持續(xù)淋水、鼓包等現(xiàn)象。實(shí)踐表明錨桿索支護(hù)技術(shù)在含水砂巖頂板煤巷運(yùn)用后，巷道圍巖控制效果較好，斷面收斂率小，巷道快速趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）分析得出淋涌水頂板巷道圍巖失穩(wěn)主要原因是巷道開(kāi)挖引起的裂隙伸展致使頂板巖體充水量增加，水與巖體長(zhǎng)時(shí)間的相互作用改變了巷道圍巖特性，使圍巖承載能力降低，損傷了錨桿索的錨固結(jié)構(gòu)，同時(shí)水對(duì)錨桿索的腐蝕也破壞了錨桿索本身的結(jié)構(gòu)，減弱了其本身的承載極限。

（2）結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)條件確定了合理的巷道錨桿索支護(hù)方案。根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果得知，七一新發(fā)煤業(yè)北翼五采區(qū) 含水砂巖頂板煤巷采用錨桿索支護(hù)后取得了良好的效果，巷道斷面收斂率小，掘進(jìn)后巷道圍巖很快趨于穩(wěn)定。

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Bolt－cable support technology and practice in roadway with water－bearing sandstone roof in Qiyi Xinfa Coal Industry Co.，Ltd.

Dong Huaijun1，Xiao Diancai2，Zhang Guangchao2
（1.Shanxi Xiangyuan Qiyi Xinfa Coal Industry Co.，Ltd.，Changzhi，Shanxi 046200，China；2.Faculty of Resources ＆Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the support difficulty in roadway with water－bearing sandstone roof in No.5mining area in north wing of Qiyi Xinfa Coal Industry，the paper proposes that the bolt－cable support method can be used to control the roadway surrounding rock.Combining with the actual conditions，the paper analyzes the destruction and maintenance characteristics of the roadway supported by bolt－cable in the condition of water inrush in roof，and then puts forward corresponding countermeasures；it determines the roadway support parameters synthesizing the methods of numerical simulation，theoretical analysis，engineering analogy and etc.，and conducts field application which has succeeded.

water－bearing sandstone roof，roadway support，bolt－cable support，surrounding rock control

TD353

A

董懷軍（1966－），男，工程師，本科學(xué)歷，在讀工程碩士，從事煤礦安全技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）