頂板淋水對巷道圍巖變形破壞的影響及防治

何富連，李曉斌，朱恒忠，徐祝賀，陳欽坤，李 政

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

水作為礦井五大自然災(zāi)害之一，大量淋水會(huì)使道路濕滑，給礦井造成巨大安全隱患[1]。頂板巖石遇水后，強(qiáng)度會(huì)變低，容易發(fā)生冒頂事故，給巷道支護(hù)帶來巨大困難[2]。目前國內(nèi)學(xué)者對頂板淋水巷道控制方面已進(jìn)行了一些探索，馮志強(qiáng)等[3]研制出了1種用于頂板水治理的新型堵水注漿材料并在現(xiàn)場得到驗(yàn)證；何富連等[4-5]提出采用新型防水錨固劑和高預(yù)應(yīng)力錨桿索來支護(hù)破碎淋水頂板，并取得良好控制效果；姚強(qiáng)嶺等[6]根據(jù)頂板巖性對富水巷道進(jìn)行分類，闡釋了巷道分頂控制技術(shù)。但上述研究多是分析錨固劑性能和巷道支護(hù)系統(tǒng)。然而，對于淋水條件下圍巖變形破壞特征的研究不夠全面和透徹。結(jié)合某礦相關(guān)地質(zhì)條件，重點(diǎn)從理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬2個(gè)方面詳細(xì)闡述了受淋水影響的圍巖變形破壞特征，最后提出了淋水頂板條件下巷道圍巖控制技術(shù)。該研究對于預(yù)防巷道冒頂提供了新的理論和技術(shù)支撐。

1 工程概況

某礦8203工作面位于北二盤區(qū)1135水平，走向長1 450 m，傾斜長220 m，工作面為一進(jìn)二回三巷布置，其中2203運(yùn)輸巷、5203回風(fēng)平巷沿5#煤層底板布置，5203-1頂回風(fēng)平巷沿5#煤層頂板穩(wěn)定巖層開掘。2203運(yùn)輸巷與北二盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷、主運(yùn)輸巷相連接，5203回風(fēng)巷與北二盤區(qū)回風(fēng)大巷相連接，5203-1頂回風(fēng)巷外端與北二盤區(qū)回風(fēng)大巷相連接，與北二盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷通過聯(lián)絡(luò)斜巷相連接。工作面主要開采5#煤層，平均厚度為15.45 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角為3°～ 4°，煤層硬度為 2～3。5#煤層位于太原組中部，層位穩(wěn)定，煤層厚度大，夾石巖性為黑色炭質(zhì)泥巖及高嶺巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。據(jù)地質(zhì)資料表明，5#煤層開采時(shí)，砂巖裂隙水進(jìn)入礦井。巷道掘進(jìn)過程中，施工多個(gè)探水孔均有涌水，隨時(shí)間推移，水量變小，山西組底部砂巖裂隙含水層為5#煤層的主要直接充水因素。8203工作面如圖1。

圖1 8203工作面示意圖

2 頂板淋水對圍巖性質(zhì)的影響

巷道成巷后，頂板淋水會(huì)使圍巖性質(zhì)發(fā)生很大變化，表現(xiàn)為圍巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低[7]，且隨著含水率的增加，兩者大致呈現(xiàn)線性降低，單軸抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系如圖2，彈性模量與含水率關(guān)系如圖3。

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

圖3 彈性模量與含水率的關(guān)系

式中：σc、E分別為巖石遇水后的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，MPa；σc0、E0分別為巖石遇水前的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，MPa；w、w0分別為巖石含水率和初始含水率，%；A、B為與巖石性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

3 頂板淋水對巷道圍巖塑性區(qū)的影響

3.1 理論模型的建立

假設(shè)頂板巖層為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)且水的滲流規(guī)律滿足達(dá)西定律，建立的彈塑性理論模型如圖4。

圖4 彈塑性理論模型

根據(jù)滲流理論和抽水試驗(yàn)可知[8-9]：

式中：pw為巷道滲透水壓力，Pa；pd為原始滲透水壓力，Pa；r為任意一點(diǎn)到巷道中心的距離，m；Rd為水影響半徑，m；R0為圓形巷道半徑，m。

含水圍巖滿足平衡微分方程：

式中：σr、σθ為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，Pa；a 為有效水壓力系數(shù)，與孔隙率有關(guān)，a介于0到1之間。

由莫爾-庫倫理論可知：

式中：φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；C 為黏聚力，MPa。

將式（2）和式（4）代入式（3）得到：

巷道被支護(hù)以后，可以認(rèn)為巷道圍巖表面受到均布載荷，即 r=R0，σr=pi。利用式（4）求解式（5）得到應(yīng)力表達(dá)式：

假設(shè)彈性區(qū)和塑性區(qū)交界處距離為Rp，在彈塑性交界處r=Rp時(shí)，可得塑性區(qū)半徑Rp和位移up的表達(dá)式為[10]：

式中：Rp為塑性區(qū)半徑，m；p0為原巖應(yīng)力，MPa；up為塑性區(qū)位移，m；E0為彈性模量，MPa。

由式（7）和式（8）可知，巷道圍巖在含水率高且有支護(hù)情況下，發(fā)生塑性變形的半徑和位移與黏聚力、內(nèi)摩擦角、原巖應(yīng)力、原始滲透水壓力、彈性模量、支護(hù)阻力、圓形巷道半徑和有效水壓力系數(shù)等因素有很大關(guān)系[11-13]。具體表現(xiàn)為：

1）巷道圍巖塑性區(qū)位移和半徑隨C和φ的減小而增大。這是因?yàn)樵诤矢叩那闆r下，滲透水壓力會(huì)變大，圍巖的內(nèi)摩擦角和黏聚力減小，圍巖強(qiáng)度降低，從而產(chǎn)生大變形。

2）巷道圍巖塑性區(qū)域的擴(kuò)展隨原巖應(yīng)力p0的增大成指數(shù)形式快速增長且增長速度與φ有關(guān)，內(nèi)摩擦角越小，增長速率越快，圍巖塑性區(qū)范圍越大，破壞越嚴(yán)重。

3）在一定范圍內(nèi)，巷道圍巖塑性區(qū)半徑和位移隨支護(hù)阻力pi的增大而減小，隨有效水壓力系數(shù)a的增大而增大。由此可見，在頂板淋水情況下可以通過采用提高支護(hù)強(qiáng)度的方式來控制圍巖變形。

3.2 數(shù)值模型的建立

運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模型的建立，垂直巷道長度方向?yàn)閤軸，巷道長度方向?yàn)閥軸，鉛直方向?yàn)閦軸。模型上部施加均勻載荷q=ρgH=12.5 MPa，其中q為上覆巖層的質(zhì)量；ρ為巖層平均密度；H為埋深，取500 m。模型底面和兩側(cè)固定，巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫模型，分析頂板在有無淋水條件下巷道圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力和位移的變化情況。巷道圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力和位移分布云圖如圖5。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力和位移分布云圖

1）從無淋水到有淋水條件下，巷道圍巖發(fā)生破壞的范圍逐漸增大，頂板塑性區(qū)的范圍大于兩幫塑性區(qū)的破壞，底板發(fā)生破壞的范圍受含水率變化的影響不大。

2）頂板無淋水條件下圍巖發(fā)生塑性變形范圍約為1.4 m，有水條件下塑性區(qū)范圍約為3 m，由此可得圍巖在淋水條件下發(fā)生破壞范圍是無淋水條件的2 倍多[14]。

3）從無淋水到有淋水條件，圍巖垂直應(yīng)力逐漸增大，垂直應(yīng)力變化主要集中在兩幫，這是由于一方面巷道開挖后圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)變成二向應(yīng)力狀態(tài)，另一方面圍巖遇水發(fā)生膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。故在淋水頂板條件下兩幫垂直應(yīng)力變化顯著。

4）從無淋水到有淋水條件，頂板下沉量和兩幫移近量都有所增加，但頂板下沉量比兩幫移近量更加明顯。這主要是由于在頂板淋水條件下，上覆巖層遇水發(fā)生軟化現(xiàn)象，強(qiáng)度降低，錨固劑失效，支護(hù)效果不顯著，頂板發(fā)生顯著下沉，有時(shí)伴隨著冒頂事故，給礦井生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。

4 支護(hù)方案及應(yīng)用效果

4.1 支護(hù)方案

針對某礦8203工作面5203回風(fēng)平巷存在頂板淋水現(xiàn)象，對該巷道進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。5203巷道為矩形斷面，巷道掘進(jìn)寬5 600 mm，凈寬5 400 mm，凈高3 500 mm,局部凈高達(dá)4 m多，凈斷面為18.9 m2，錨桿索支護(hù)布置如圖6。巷道整體采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板淋水段錨桿索支護(hù)使用新型防水錨固劑,對于局部特別破碎的淋水頂板區(qū)域可采用注漿加固[12-15]。

圖6 巷道支護(hù)斷面圖

支護(hù)參數(shù)如下：頂板采用6排左旋無縱螺紋鋼錨桿5 000 mm×200 mm×3W型鋼帶、三二三布置錨索+鐵托板、φ6#網(wǎng)格100 mm×100 mm的金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。在巷道兩側(cè)頂角各打1排角錨桿，其它各排錨桿間排距900 mm×1 000 mm，錨桿直徑φ22 mm、長L=2 400 mm，兩幫側(cè)角錨桿與水平面夾角75°，其它垂直頂板；錨索排距2 000 mm、間距2 000 mm，直徑φ17.8 mm，長8 300 mm，兩側(cè)錨索與水平面夾角為70°，中間與頂板垂直。巷道回采幫用3排玻璃鋼錨桿、網(wǎng)格40 mm×40 mm塑料網(wǎng)聯(lián)合護(hù)幫，錨桿直徑φ20 mm、長L=2 200 mm，距巷道頂板300 mm打第1排錨桿，距巷道底板800 mm打第3排錨桿，間排距1 200 mm×1 000 mm。巷道煤柱幫用3排左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、金屬網(wǎng)（同頂板規(guī)格）護(hù)幫,錨桿直徑φ22 mm、長L=2 400 mm，兩幫側(cè)角錨桿與水平面夾角75°，錨桿布置方式同回采幫。

4.2 應(yīng)用效果分析

5203回風(fēng)平巷采用聯(lián)合支護(hù)后，在巷道頂板和兩幫分別布置測點(diǎn)，觀測并記錄位移量，利用origin軟件繪出圍巖變形量隨時(shí)間變化的曲線（圖7）。

圖7 巷道圍巖變形曲線

從圖7可知，隨著時(shí)間的推移，圍巖變形量在逐漸減小，在70 d左右圍巖變形量趨于穩(wěn)定，最終頂板最大下沉量100 mm，兩幫最大移近量不超過70 mm。礦壓觀測結(jié)果表明，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)能夠有效改善支護(hù)效果。

5 結(jié)論

1）通過對滲流規(guī)律和彈塑性理論的研究與分析，得出在頂板淋水條件下巷道圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展與圍巖本身性質(zhì)、滲透水壓力和支護(hù)強(qiáng)度等有關(guān)。

2）頂板淋水條件下，頂板礦壓顯現(xiàn)大于兩幫礦壓顯現(xiàn)大于底板礦壓顯現(xiàn)，要加強(qiáng)頂板的支護(hù)。

3）根據(jù)5203回風(fēng)平巷具體的地質(zhì)條件，采用了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)－新型防水錨固劑－注漿法等支護(hù)手段，現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果表明，巷道圍巖控制效果良好。