龐龐塔煤礦回采巷道頂板防治水技術(shù)研究

郝 海 濤

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

0 引 言

對煤炭資源經(jīng)過持續(xù)多年的大規(guī)模開采，賦存條件較好的煤炭資源已日益枯竭，而埋藏較深、賦存條件較差的煤炭資源則逐漸成為了我國開采的主要對象[1]，有時巷道不可避免的布置于具有弱富水性的地質(zhì)構(gòu)造帶當中，受此影響巷道頂?shù)装鍑鷰r條件急劇惡化，涌水量增加，若不對其進行及時治理，極有可能發(fā)生重大的安全事故[2]，造成難以挽回的損失，因此針對巷道圍巖的防治水技術(shù)眾多學(xué)者對此展開了詳細研究[3-4]。

龐龐塔煤礦9- 3012 巷道在掘進過程中揭露一弱富水性區(qū)域，頂板淋水量急劇增加，底板積水嚴重，同時局部地區(qū)頂板下沉明顯，兩幫移近量較大，現(xiàn)有支護方式不能對巷道圍巖穩(wěn)定性形成較好的控制，為了保證回采工作面的采掘正常交替，對處于弱富水性區(qū)域巷道段的支護進行優(yōu)化已成為了該礦當前急需解決的首要任務(wù)。

1 工程概況

龐龐塔煤礦9- 301 工作面所采煤層主要為9#煤層，該工作面埋深達到了550m，工作面沿走向布置沿傾向推進，其中工作面走向布置長度為150m,推進長度為1450m，采高為3m，采用綜合放頂煤一次采全高的方法對9# 煤層進行回采，該工作面所采用的液壓支架型號主要為ZF12000/22/35，共計101 架。9- 3012 巷道為9- 301 工作面的回采巷道，該巷道主要負責(zé)通風(fēng)以及行人，凈寬4.5m，凈高3m，采用錨網(wǎng)梁+ 錨索支護，頂部選用φ20×2000mm 左旋螺紋鋼高強錨桿，每排布置5 根，間排距為900mm×1000mm，巷道最外側(cè)錨桿與豎直方向的夾角為15°，其余錨桿均垂直于頂板布置。頂板錨索在距巷道中心左右兩側(cè)900mm 處分別布置一根，排距為1000mm，錨索采用φ17.8×L6300mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。幫部錨桿每排布置3 根錨桿，間排距為 1200mm ×1000mm， 頂錨桿距離頂板300mm，錨桿型號與頂板一致。在支護過程中錨桿統(tǒng)一施加預(yù)緊力65kN，錨索統(tǒng)一施加預(yù)緊力125kN。巷道支護斷面如圖1 所示。

該巷掘進總長度達到了1650m，巷道掘進至距開口位置740m 處時揭露一已探明的弱富水性區(qū)域，布置于該富水性區(qū)域中的9- 3012 巷道段預(yù)計達到了180m，巷道圍巖穩(wěn)定性受此富水性區(qū)域的影響，頂板淋水量較大，錨網(wǎng)索腐蝕嚴重，且多次出現(xiàn)返修，巷道破壞特征如圖2 所示。

圖1 巷道斷面支護圖

圖2 錨網(wǎng)索腐蝕圖

2 巷道頂板淋水來源

9- 3012 巷道揭露弱富水性區(qū)域時頂板淋水現(xiàn)象嚴重，根據(jù)該礦的水文地質(zhì)資料顯示，頂板水主要來源于大氣降水以及附近河流的水流補給，同時巷道頂板深部存在著灰?guī)r含水層，該灰?guī)r富水性較弱，單位涌水量為0.038～0.096L/s.m。淋水段巷道頂板條件較差，受掘進擾動影響頂板圍巖裂隙得到一定程度的發(fā)育，進而形成導(dǎo)水裂隙帶，為頂板淋水創(chuàng)造了條件。

3 現(xiàn)場實測

3.1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)測試

掌握淋水段巷道頂?shù)装鍑鷰r的物理力學(xué)性質(zhì)，對于探明巷道的破壞原因并對原支護方案進行優(yōu)化具有重要意義。在巷道淋水段選取合適的位置打鉆取芯，并將所取巖芯帶回實驗室通過巖石力學(xué)試驗機對其力學(xué)參數(shù)進行測試，測試結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知巷道的直接頂為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，巖層厚度分別為2.5m 和4.3m，其中泥巖的抗壓強度僅為18.4MPa，強度偏低，泥質(zhì)灰?guī)r的抗壓強度則為25.67MPa，該巖層強度與泥巖相比有所提高。老頂則為細粒砂巖和炭質(zhì)泥巖，厚度較厚，分別達到了8.5m 和10.4m，在測試過程中發(fā)現(xiàn)直接頂和老頂圍巖中微小裂隙較為發(fā)育，該巷直接底和老底則分別為泥巖和粉砂巖。

表1 淋水段巷道頂?shù)装鍑鷰r物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

3.2 巷道頂板圍巖礦物組分測試

頂板圍巖的礦物組分對于巷道圍巖穩(wěn)定性同樣具有重要影響，本文采用多功能X 射線衍射儀對所取頂板巖芯的礦物組分進行了測試，將測試所得的結(jié)果統(tǒng)計于表2 中。

表2 頂板圍巖礦物組分測試結(jié)果

由表2 可知淋水段巷道頂板含有較多的高嶺石、白云母以及石英，同時還含有少量的黃鐵礦以及斜長石。其中高嶺石遇水易膨脹，白云母、斜長石遇水則易水解，若頂板淋水現(xiàn)象嚴重則會給該巷的支護帶來巨大挑戰(zhàn)。

3.3 淋水頂板巷道原位拉拔測試

頂板的淋水現(xiàn)象必然會對錨桿（索）的錨固性能造成影響，為了探明淋水對其的影響大小，本文對淋水和非淋水條件下巷道錨桿（索）的錨固力進行了原位拉拔測試，并將所測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表3之中。

表3 9- 3012 巷道富水性區(qū)域段錨桿（索）錨固力檢測結(jié)果

由表3 中的測試數(shù)據(jù)可知非淋水區(qū)段巷道頂板錨桿錨固力、左幫錨桿錨固力、右?guī)湾^桿錨固力與淋水區(qū)段的巷道相比分別高出其值30.2%、4.7%以及5%，非淋水區(qū)段巷道錨索的錨固力與淋水區(qū)段巷道的相比則高出其值25.3%。由此可知頂板錨桿（索）的錨固力受淋水影響出現(xiàn)了一定程度的下降，幫錨桿的錨固力受淋水現(xiàn)象的影響較小。

4 巷道破壞原因分析

通過上述分析，可將淋水段巷道的變形破壞原因歸結(jié)為如下幾點：

1）頂板水主要來源于大氣降水以及附近河流的水流補給，同時巷道頂板深部存在著富水性較弱的灰?guī)r含水層，而該段巷道頂板圍巖條件較差，在掘進擾動等因素影響下裂隙易發(fā)育，進而形成導(dǎo)水裂隙。

2）巷道直接頂中有一層2.5m 厚的泥巖，該巖層強度偏低，且礦物組分測試結(jié)果表明頂板圍巖中含有較多的白云母、高嶺石，遇水易膨脹軟化，加速了巷道的變形破壞。

3）頂板錨桿（索）的錨固力受淋水影響下降明顯，不能對頂板形成有效的支護。

4）巷道整體的支護強度偏低，幫部圍巖不能對頂板形成較強的承載作用，同時頂板淺部圍巖在錨桿（索）的作用下不能進行有效的加固組合。

5）沒有對頂板水進行及時排放。

5 治理措施研究

1）為了更好的對頂板含水層中的水以及裂隙水進行排放，在掘進過程中布置疏水鉆孔，疏水鉆孔呈扇形布置，鉆孔垂距不高于1.5m，鉆孔平距為3m，疏水孔的直徑為75mm。為了對頂板巖層中的水進行充分排放，疏水孔在淺部、深部交替布置，依據(jù)裂隙帶的發(fā)育高度以及含水巖層的位置，疏水孔孔深最深為60m，其次為50m，最淺則為30m，鉆孔與巷道軸向的夾角處于20°～60°范圍內(nèi)，止水套管則采用硬PVC 管，具體的疏水孔布置示意圖如圖3 所示。

圖3 疏水鉆孔布置示意圖

2）對巷道的原支護方案進行相應(yīng)優(yōu)化，其中頂板錨桿在原方案的支護基礎(chǔ)上排距縮短至900mm，長度加長至2500mm，直徑加粗至22mm。錨索長度則加長至7000mm，直徑加粗至21.6mm，排距縮減至900mm。幫部錨桿每排布置4 根，間排距縮減為800mm×900mm，錨桿型號同頂板一致，在支護過程中錨桿預(yù)緊力統(tǒng)一提高至85kN，錨索預(yù)緊力提高至160kN，優(yōu)化后的巷道支護斷面如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后的巷道斷面支護圖

3）在掘進過程中若遇到頂板破碎帶，可采取注漿加固的措施對其進行治理，注漿材料可選用馬麗散，該材料具有粘度低、滲透性強、抗壓性能高，反應(yīng)后形成泡沫不易溶于水等優(yōu)點，能夠快速的封堵裂隙水，注漿壓力不宜超過3MPa，注漿孔深度以及直徑視具體情況而定。

4）巷道通過富水性區(qū)域后支護方案可采用原支護方案。

6 工程監(jiān)測

治理措施實施后在新掘的巷道段中選取合適的位置布置測站，對其圍巖變形進行了為期30 天的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示9- 3012 巷道在治理措施治理下兩幫移近量僅有74mm，頂板下沉量僅有56mm，單個錨索眼水量由原來的7.8m3/h 下降至1.5m3/h，減少了80.8%，頂板涌水量較大的現(xiàn)象得到了有效控制，巷道圍巖穩(wěn)定性顯著提升。

7 結(jié) 論

1）淋水段巷道直接頂泥巖強度偏低，裂隙發(fā)育，且頂板圍巖含有較多的白云母、高嶺石，吸水易膨脹、軟化，錨桿（索）錨固力受淋水影響下降明顯，巷道整體支護強度偏低，不能形成有效的支護結(jié)構(gòu)，在上述因素的共同影響下巷道圍巖破壞嚴重。

2）針對巷道的變形破壞原因，本文提出了相應(yīng)的治理措施，工程監(jiān)測結(jié)果表明新掘巷道在治理措施的治理下圍巖變形較小，頂板淋水較大的現(xiàn)象得到了有效抑制，滿足礦井的正常安全生產(chǎn)。