木瓜煤礦頂板淋水區(qū)域巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

解旭曉

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦批準(zhǔn)開采9、10號煤層，現(xiàn)階段主采10#煤層，煤層厚度為1.4～1.8m。10#煤層位于石炭系下統(tǒng)太原組，煤巖層賦存較穩(wěn)定。10#煤層直接頂為泥巖，平均厚度為5.5m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.8～2.6m。10-102 工作面位于一采區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，上部為9-104、106 采空區(qū)，東為一采區(qū)回風(fēng)大巷和軌道大巷，南為一采區(qū)皮帶大巷，西鄰一采區(qū)邊界，北鄰10-102 工作面（未掘）。10-1011 巷為工作面設(shè)備運(yùn)輸服務(wù)，10-1012 巷為工作面回采時運(yùn)煤等服務(wù)。一采區(qū)煤層頂板存在多個明顯的富水區(qū)域，為具體了解頂板淋水對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，以10-101 工作面和10-102 工作面為工程背景展開相關(guān)研究。10-101 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 10-101 工作面巷道布置平面圖

2 10-1012 巷原有支護(hù)

10-1012 巷掘進(jìn)期間支護(hù)如圖2 所示。10-1012 巷沿10#煤層底板布置，矩形斷面尺寸4.5m（寬）×3.0m（高）。主要支護(hù)參數(shù)：頂板采用直徑18mm、長度2200mm 的A3 圓鋼錨桿，間排距為1000×1000mm，每排5 根均勻布置，靠近外側(cè)的2 排錨桿向外側(cè)傾斜10°安裝，靠近中部的3 排垂直頂板安裝，錨桿托盤由厚度為10mm鋼板制作，錨固劑采用K2335、Z2360 樹脂藥卷各一支，錨固力54kN，預(yù)緊力為42.7kN，頂板鋼筋梯子梁由直徑14mm 的圓鋼焊制。采用直徑15.24mm、長度6300mm 的鋼絞線錨索，間排距為2000×2000mm，每排兩根，垂直巷道頂板安裝，錨固劑為K2335 樹脂藥卷一支和兩支Z2360 樹脂藥卷，錨固力156kN，預(yù)緊力為120kN，金屬網(wǎng)采用10#鉛絲焊制的經(jīng)緯網(wǎng)，鋼筋梯子梁采用直徑14mm 的圓鋼制成。煤柱幫采用Φ18×2000mm 的A3 圓鋼錨桿，錨固方式和頂板錨桿相同，間排距為1250×1000mm，每排三根錨桿垂直煤壁安裝。回采幫錨桿采用規(guī)格為Φ18×2000mm 的玻璃鋼、300×200×50mm 的木托盤，錨桿錨固方式和布置方式與煤柱幫相同。

圖 2 10-1012 巷支護(hù)詳情

3 淋水頂板巷道失穩(wěn)特征及影響因素

為了解10-1012 巷在頂板淋水影響下圍巖的變形情況，在10-1012 巷內(nèi)頂板淋水區(qū)域和正常區(qū)域布置圍巖位移監(jiān)測點[1-2]。測站布置在距切眼250～350m 處，監(jiān)測巷道掘進(jìn)期間和工作面回采期間圍巖的位移情況。結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖 3 巷道掘進(jìn)期間圍巖位移情況

根據(jù)圖3（a）所示結(jié)果可以看出，非淋水區(qū)域巷道掘進(jìn)期間，巷道頂板和兩幫的變形速度逐漸減小。成巷約50d 后，巷道圍巖的位移速度趨近于零，兩幫移近量最終穩(wěn)定在80mm 以下，頂?shù)装逑鄬σ平糠€(wěn)定在125mm 以下。根據(jù)圖3（b）所示結(jié)果可以看出，淋水區(qū)域掘進(jìn)期間，巷道圍巖變形速度在前30d 內(nèi)穩(wěn)定在4.0mm/d 以上，圍巖出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象；30d 后采取合理抽放水措施，圍巖的變形速率開始迅速減緩；成巷90d 后，圍巖的變形速度減小為零，兩幫移近量最大為155mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?71mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，巷道掘進(jìn)期間淋水區(qū)域頂板和兩幫的位移量，分別為非淋水區(qū)域的1.37 倍和1.98 倍，且淋水區(qū)域圍巖的變形速度和變形時間均明顯大于非淋水區(qū)域。由此可知，淋水區(qū)域巷道圍巖受到淋水侵蝕，頂板強(qiáng)度較低，引起巷道頂板下沉更嚴(yán)重，進(jìn)而引起兩幫的內(nèi)移量也更大，巷道圍巖失穩(wěn)。通過采取抽水措施后，延緩了圍巖的變形破壞。綜上可知，頂板淋水大大降低了巷道圍巖的強(qiáng)度，原有支護(hù)方案未能有效控制圍巖的失穩(wěn)破壞。

圖4 所示結(jié)果為10-101 工作面回采期間10-1012 巷圍巖位移情況。由圖可以看出，在頂板非淋水區(qū)域和淋水區(qū)域，距工作面-150～ -75m 時，巷道圍巖位移很小，當(dāng)工作面距測點距離小于50m 后，圍巖的位移速度開始明顯增大。兩種條件下巷道圍巖的變形周期基本相同，但是淋水區(qū)域圍巖的位移速度和位移量明顯大于非淋水區(qū)域，圍巖位移量為非淋水區(qū)域的2.11 倍（頂?shù)装逡平浚┖?.43 倍（兩幫移近量）。由此可知，采取適當(dāng)?shù)某樗胧╇m然能夠延緩淋水區(qū)域巷道的變形，但是由于水的侵蝕作用[3]，圍巖強(qiáng)度降低，在工作面回采期間圍巖出現(xiàn)了更大的位移，現(xiàn)有支護(hù)方式不能有效控制頂板淋水區(qū)域的巷道變形。

圖 4 工作面回采期間圍巖位移情況

4 頂板淋水區(qū)域巷道支護(hù)優(yōu)化

通過對10-1012 巷的礦壓監(jiān)測，類比可知10-1021 巷的支護(hù)需進(jìn)行優(yōu)化。對于淋水頂板條件下，首先需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行水害的治理。根據(jù)10#煤層水文地質(zhì)特征，10-101 工作面和10-102 工作面頂板淋水水源為上部砂巖含水層和9#煤層采空區(qū)積水。因此設(shè)計巷道掘進(jìn)過程中嚴(yán)格遵循“探（放）水-掘進(jìn)-探（放）水”的工藝模式[4]，探水孔終孔位置始終位于掘進(jìn)工作面前方。原有支護(hù)方案支護(hù)強(qiáng)度偏低，因此頂板淋水區(qū)域需提高支護(hù)強(qiáng)度。具體措施如下：頂板錨桿直徑由18mm 增大至22mm，錨桿長度不變；頂板錨索直徑由15.24mm增大至17.8mm，錨索長度不變；煤柱幫螺紋錨桿直徑由18mm 增大至22mm，錨桿長度不變；靠近頂板和底板的錨桿分別向巷道外側(cè)傾斜30°安裝；回采幫的玻璃鋼錨桿直徑增大至22mm，錨桿長度增大至2200mm；靠近頂板和底板的錨桿同樣傾斜30°施工；錨桿錨索的錨固方式與原有支護(hù)相同。10-1021 巷頂板淋水區(qū)巷道支護(hù)詳情如圖5 所示。

圖 5 10-1021 巷頂板淋水區(qū)域支護(hù)示意圖

5 應(yīng)用效果

10-1021 巷掘進(jìn)期間預(yù)計在220～400m 范圍內(nèi)存在180m 的頂板淋水區(qū)域（圖1 所示），采用上述支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，非淋水區(qū)域采用原有支護(hù)方式。為考察支護(hù)方案的合理性，在10-1021 巷掘進(jìn)期間每間隔50m 布置一側(cè)監(jiān)測站，共布置10 個測站。巷道圍巖穩(wěn)定后圍巖變形量統(tǒng)計結(jié)果如圖6 所示，其中6#、7#、8#測站位于頂板淋水區(qū)域內(nèi)。由圖可知，頂板淋水區(qū)域圍巖的位移量無明顯增大，整條巷道頂?shù)装逑鄬σ平科骄禐?9.5mm，兩幫相對移近量平均值為34.9mm。相較于臨近的10-1012巷掘進(jìn)期間，頂板淋水區(qū)域頂?shù)装逡平繙p小了約82.7%，兩幫移近量減小了約77.5%。由此可知，優(yōu)化后的支護(hù)方案有效控制了頂板淋水區(qū)域圍巖的失穩(wěn)破壞。

圖 6 10-1021 巷掘進(jìn)期間位移量監(jiān)測

6 結(jié)論

通過對10-1012巷礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，現(xiàn)有支護(hù)條件下，巷道掘進(jìn)期間，頂板淋水區(qū)域圍巖持續(xù)變形，通過采取適當(dāng)?shù)呐潘胧┖髧鷰r才趨于穩(wěn)定，頂板非淋水區(qū)域圍巖位移量較小。工作面回采期間，淋水區(qū)域圍巖位移量為非淋水區(qū)域的2.11倍（頂?shù)装逡平浚┖?.43 倍（兩幫移近量）。淋水區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度不足，故在進(jìn)行10-1021 巷的掘進(jìn)時對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用及礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案使頂板淋水區(qū)域頂?shù)装逡平繙p小了約82.7%，兩幫移近量減小了約77.5%，取得很好的應(yīng)用效果。