31102工作面回風(fēng)巷含水砂巖頂板控制技術(shù)

尹愛新

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

巷道頂板含水層水是影響煤礦巷道穩(wěn)定性的主要因素之一。由于采動(dòng)貫通水力通道，裂隙水和空區(qū)水與巷道圍巖長(zhǎng)期接觸，巷道易產(chǎn)生片幫、冒頂?shù)葒?yán)重的巷道變形破壞問題，直接威脅到了礦井的安全生產(chǎn)。本文以潞寧煤礦31102工作面回風(fēng)巷為研究對(duì)象，通過分析該巷道上部2#煤層與3#煤層之間的砂巖裂隙含水層水的特征，采用理論分析計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究手段，對(duì)巷道含水頂板條件下圍巖穩(wěn)定性與水影響機(jī)理以及該類巷道控制技術(shù)展開研究，以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

1 工程背景

潞寧煤礦屬于潞安礦業(yè)集團(tuán)公司。目前，該礦主要開采侏羅紀(jì)2#和3#煤層，開采深度在300～550m，采用斜井開拓。31102工作面回風(fēng)巷位于大同組第二段的三亞段中上部2#煤層之下，上距2#煤層27.10～35.88m，平均32.11m，整體位于22102采空區(qū)及部分22104采空區(qū)下部。巷道斷面為矩形，長(zhǎng)4.2m，寬2.5m。具體的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

影響31102工作面回風(fēng)巷頂板穩(wěn)定性的主要因素之一是2#煤層與3#煤層之間的砂巖裂隙含水層水。該含水層水補(bǔ)給條件差，水頭較高，流量小，屬多年貯存下來的水。由于受掘進(jìn)活動(dòng)影響，裂隙水與巷道圍巖產(chǎn)生水-巖作用，導(dǎo)致裂隙發(fā)育，圍巖強(qiáng)度降低，巷道出現(xiàn)變形，對(duì)煤礦的安全造成了一定的影響。

表1 巷道頂?shù)装宓刭|(zhì)情況分布表

2 水砂巖頂板巷道失穩(wěn)機(jī)理

根據(jù)有關(guān)含水巷道工程地質(zhì)資料及巷道頂板變形破壞特征等研究成果可知，礦井水不僅弱化了巷道頂板強(qiáng)度，甚至引起巷道頂板錨固結(jié)構(gòu)的變形失穩(wěn)。巷道水資源對(duì)頂板巖石強(qiáng)度的弱化原理如圖1所示。

圖1 含水巷道頂板強(qiáng)度弱化原理

（1）巷道開挖后原巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)這種應(yīng)力大小超過了巖體本身的承載能力時(shí)便發(fā)生破壞，巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生塑性變形并向深處擴(kuò)展發(fā)生破裂并產(chǎn)生裂隙，這些裂隙連通了基本頂含水層。

（2）由于砂巖直接頂含有的大量吸水性黏土礦物在水的侵蝕作用下改變了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，使得巖石的剛度和強(qiáng)度降低。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)錨固劑在淋水的作用下，粘結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致錨桿承載性能弱化，從而引起了31102工作面回風(fēng)巷頂板失穩(wěn)。

3 含水砂巖頂板巷道支護(hù)

基于31102工作面回風(fēng)巷含水砂巖頂板巷道失穩(wěn)的機(jī)理，首先對(duì)巷道頂板布置合理的疏水孔，降低礦井水對(duì)圍巖的弱化作用；其次采用錨桿（索）封孔、注漿加固等技術(shù)可以提高巷道圍巖的穩(wěn)定性；與此同時(shí)，高強(qiáng)度的支護(hù)材料能夠有效地強(qiáng)化圍巖弱面，控制巷道圍巖破壞范圍，實(shí)現(xiàn)含水頂板巷道的穩(wěn)定性控制。

3.1 巷道控制方案

（1）合理布置疏水孔。首先應(yīng)對(duì)31102工作面回風(fēng)巷進(jìn)行專門的地質(zhì)勘探，得知頂板含水層水的分布范圍及規(guī)律，采用布置探水鉆孔的手段科學(xué)放水，以減少含水層水對(duì)巷道頂板的侵蝕弱化作用。

（2）巷道圍巖封孔、加固技術(shù)。首先通過增加 31102工作面回風(fēng)巷頂板錨桿（索）的錨固長(zhǎng)度，利用樹脂錨固劑凝固后的特性封堵鉆孔，并隔絕空氣；其次，再利用注漿封堵錨固區(qū)域裂隙的技術(shù)提高支護(hù)強(qiáng)度，發(fā)揮錨固圍巖體的自承載性能，從而提升巷道圍巖穩(wěn)定性。

（3）錨桿（索）支護(hù)技術(shù)。由于砂巖吸水后會(huì)產(chǎn)生高膨脹應(yīng)力，這就要求錨桿在支護(hù)時(shí)具有一定的剛度和延伸性，以此來提高巷道頂板的支護(hù)效能，減少巷道圍巖變形與破壞。同時(shí)，重視錨索的補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)作用，將錨桿支護(hù)形成的次生承載體與含水層上部穩(wěn)定巖層連接在一起，形成較為穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。

3.2 巷道支護(hù)參數(shù)

采用經(jīng)驗(yàn)公式取值、理論計(jì)算等方法對(duì)31102工作面回風(fēng)巷頂板及兩幫的錨桿（索）支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，初步確定頂板巷道支護(hù)采用錨桿、錨索組合支護(hù)系統(tǒng)。具體參數(shù)如圖2所示。

圖2 31102回風(fēng)巷錨桿（索）支護(hù)參數(shù)

（1）巷道頂板支護(hù)

頂板每排采用Φ22-M24-2000mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿5根，間排距為950mm×1100mm。采用樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，每根錨桿采用一支K2335型藥卷在上和一支Z2360型藥卷在下的錨固方式進(jìn)行錨固。所有錨桿配套使用Φ24mm尼龍阻尼墊圈、球型墊和托板，托板規(guī)格為150mm×150mm×12mm的鋼托板，拱高不小于36m。垂直巷道頂部打設(shè)鋼絞線錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索為Φ22mm，1×19股高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索配套安設(shè)防墜掛鉤或用雙股鐵絲吊掛。

（2）巷道兩幫支護(hù)

兩幫每排采用Φ22-M24-2000mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿5根，間排距為1000mm×1100mm。采用樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，每根錨桿采用一支K2335型藥卷在上和一支Z2360型藥卷在下的錨固方式進(jìn)行錨固。所有錨桿配套使用Φ24mm尼龍阻尼墊圈、球型墊和托板，托板規(guī)格為150mm×150mm×12mm的鋼托板，拱高不小于36mm。

4 巷道控制效果

為檢驗(yàn)31102工作面回風(fēng)巷頂板控制方案的合理性，對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析可知31102工作面回風(fēng)巷頂板巷道自采用科學(xué)的控制方案以來，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到明顯提高，巷道變形量小，且在較短時(shí)間內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，保證了巷道整體穩(wěn)定性。同時(shí)，也充分說明錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)是科學(xué)的、合理的，能夠滿足巷道支護(hù)的要求。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)31102工作面回風(fēng)巷的含水頂板失穩(wěn)分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，揭示了含水頂板巷道失穩(wěn)的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，砂巖在吸水后產(chǎn)生高膨脹應(yīng)力及錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致錨桿（索）的承載能力大幅下降，引起頂板垮落并發(fā)生冒頂事故。

（2）針對(duì)含水巷道頂板失穩(wěn)機(jī)理，提出了含水巷道頂板控制的技術(shù)措施。通過合理布置疏水孔、錨桿（索）支護(hù)技術(shù)等控制方案不僅提高了巷道支護(hù)的穩(wěn)定性和安全程度, 而且改善了井下作業(yè)環(huán)境,為礦井高產(chǎn)高效創(chuàng)造了良好條件。

（3）錨桿（索）支護(hù)技術(shù)在含水砂巖頂板運(yùn)用后,巷道圍巖控制效果較好，巷道基本未出現(xiàn)變形，充分說明該支護(hù)設(shè)計(jì)是科學(xué)的，對(duì)于相同地質(zhì)條件下巷道控制具有參考和借鑒價(jià)值。