淋水砂巖頂板巷道穩(wěn)定性與控制技術(shù)研究

陳曉強(qiáng)

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100)

隨著煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于大型的現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)中，但因受復(fù)雜的地質(zhì)條件、圍巖結(jié)構(gòu)特征和開(kāi)采技術(shù)等影響，頂板穩(wěn)定性控制問(wèn)題并沒(méi)有根本解決。采空區(qū)積水作為影響煤礦巷道失穩(wěn)的主要因素之一，一旦礦井產(chǎn)生水患，無(wú)法及時(shí)治理，在水和巖層的相互作用過(guò)程中，使得圍巖強(qiáng)度降低且變形增加，巷道難以維護(hù)，給工作面的安全生產(chǎn)帶來(lái)不利影響[1]. 近年來(lái)，多位國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法對(duì)水作用下巖石強(qiáng)度弱化機(jī)理展開(kāi)了研究。姚強(qiáng)嶺等[2]研究分析了含水頂板的失穩(wěn)機(jī)理，認(rèn)為受巷道開(kāi)挖擾動(dòng)及支護(hù)的影響，使直接頂和上覆采空區(qū)產(chǎn)生了水力通道，粉砂質(zhì)泥巖吸水后膨脹，在三向應(yīng)力下崩解破壞，巷道頂板產(chǎn)生失穩(wěn)；陳鋼林等[3]認(rèn)為巖石因受到水壓力的影響，其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致巖體發(fā)生變形破壞；楊天鴻等[4]通過(guò)三軸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔隙水的存在會(huì)引起巖體的強(qiáng)度和彈性模量的降低，對(duì)巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和貫通起到加劇作用。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從物理、化學(xué)等不同角度對(duì)水作用下巖石的弱化機(jī)理進(jìn)行了分析，但關(guān)于水作用下頂板裂隙發(fā)育規(guī)律和如何減少水對(duì)頂板的侵蝕弱化作用研究甚少。為此，以臺(tái)頭前灣煤礦回收大巷保安煤柱綜采工作面回風(fēng)順槽為例，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等研究手段，對(duì)巷道淋水巷道的圍巖失穩(wěn)機(jī)理和巷道支護(hù)技術(shù)展開(kāi)研究，以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

1 工程背景

臺(tái)頭前灣煤礦回收大巷保安煤柱綜采工作面位于井田中部，南、北均為采空區(qū),東為回收大巷保安煤柱綜采工作面，西為采空區(qū)。煤巖層綜合柱狀圖見(jiàn)圖 1.

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

4-2號(hào)煤層為礦井主要開(kāi)采煤層，地面標(biāo)高+1 412.8～+1 461.1 m，井下標(biāo)高+1 195～+1 225 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，層理中度發(fā)育，煤層厚度2.2～3.38 m，平均厚度為2.91 m，煤層傾角平均為5°，沿煤層底板掘進(jìn)，回采對(duì)地面有輕微的裂隙影響。直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.19 m，抗水侵能力差；基本頂為平均厚度6.67 m的中粒砂巖，易軟化，強(qiáng)度低，且上面為含有積水的采空區(qū)。

回收大巷保安煤柱綜采工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，巷道采用錨桿(索)網(wǎng)支護(hù)，圍巖基本穩(wěn)定，頂板無(wú)淋水現(xiàn)象。回風(fēng)巷掘進(jìn)形成7～15 d期間，在距巷口220～400 m段出現(xiàn)不同程度的淋水和滲水現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，此時(shí)巷道頂板下沉明顯，巖層表層泥化、剝落。

2 巷道失穩(wěn)機(jī)理分析

含水頂板失穩(wěn)的根本原因是水巖相互作用對(duì)圍巖的破壞，當(dāng)巖層受水侵蝕弱化后，前期變形以軟弱巖層擴(kuò)容變形為主，后期頂板變形向深部進(jìn)一步擴(kuò)展，以砂巖離層為主，特別是在水的作用下，使得巖體的強(qiáng)度降低，引起頂板變形失穩(wěn)[5]. 根據(jù)該礦的水文地質(zhì)資料，結(jié)合水作用下巖石的弱化機(jī)理，分析該回風(fēng)順槽頂板失穩(wěn)破壞原因有以下幾方面：

1) 受到巷道回采的影響，巖層中的原巖應(yīng)力重新分布，在工程擾動(dòng)影響下煤體節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，巷道圍巖因產(chǎn)生塑性區(qū)不斷擴(kuò)大而貫通水力通道，這些裂隙連通了基本頂積水區(qū)域。

2) 該回風(fēng)巷頂板為砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)，在水的作用下易改變圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，引起直接頂砂質(zhì)泥巖膨脹變形，造成直接頂砂質(zhì)泥巖出現(xiàn)嚴(yán)重的泥化、砂化現(xiàn)象，使得巖石的剛度和強(qiáng)度降低，見(jiàn)圖2a).

3) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，在水的侵蝕作用下，原支護(hù)材料因托盤和桿體等結(jié)構(gòu)發(fā)生銹蝕而導(dǎo)致錨桿承載性能弱化，且錨固圍巖樹(shù)脂遇水后其反應(yīng)物黏結(jié)強(qiáng)度降低，破壞了錨桿支護(hù)的整體性和完整性，見(jiàn)圖2b)，從而引起回收大巷保安煤柱綜采工作面回風(fēng)順槽的頂板失穩(wěn)。

圖2 淋水巷道頂板失穩(wěn)實(shí)況圖

3 圍巖控制技術(shù)分析

3.1 圍巖控制對(duì)策

基于淋水砂巖頂板巷道失穩(wěn)的機(jī)理，對(duì)該回風(fēng)巷作業(yè)面提出“合理布置疏水孔、錨索孔注漿保水和高預(yù)應(yīng)力錨索網(wǎng)支護(hù)”的綜合控制手段。

1) 合理布置疏水孔。通過(guò)對(duì)該回風(fēng)順槽的地質(zhì)資料進(jìn)行分析，根據(jù)規(guī)定布置扇形疏水孔，進(jìn)行含水層搜索性疏放，疏干巖溶水及裂隙水。巷道軸向方向上，為實(shí)現(xiàn)疏水徹底，水平面和豎直面均呈扇形，鉆孔垂距不高于1.5 m，鉆孔平距為3 m，見(jiàn)圖3. 采用集中排放，以降低含水層水對(duì)頂板圍巖的侵蝕弱化作用。

圖3 疏水孔扇形布置圖

2) 錨索孔注漿保水。通過(guò)增加錨桿索的錨固長(zhǎng)度，利用樹(shù)脂錨固劑凝固后的特性封堵鉆孔，隔絕空氣，減少水對(duì)支護(hù)材料的銹蝕作用，防止風(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) 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)。由于砂巖頂板中的黏土礦物與水的相互作用，改變了巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，造成圍巖的承載性降低，這就要求錨網(wǎng)索在支護(hù)時(shí)具有一定的剛度和延伸性，以提高巷道頂板的支護(hù)效能，同時(shí)，也應(yīng)注重錨索的補(bǔ)充支護(hù)加強(qiáng)作用。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圍巖控制對(duì)策，提出如下參數(shù)設(shè)計(jì):

1) 合理布置疏水孔。疏水孔位置見(jiàn)圖4，取鉆孔d75 mm，傾角75°為宜，則疏水孔的長(zhǎng)度L為：

(1)

式中：

L1—直接頂厚度，m，取3.19；

L2—基本頂厚度，m，取6.67；

L3—疏水孔穿透基本頂含水層厚度，m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取1.8；

α—鉆孔傾角，(°).

經(jīng)計(jì)算，疏水孔長(zhǎng)度應(yīng)為12.07 m.

圖4 疏水孔剖面圖

2) 頂板錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。頂板穩(wěn)定是圍巖控制穩(wěn)定的前提，頂錨桿和錨索協(xié)同支護(hù)控制圍巖的層狀頂板。為此，頂錨桿采用組合梁計(jì)算，錨桿的有效控制長(zhǎng)度l為[6]：

(2)

式中：

l—錨桿有效控制長(zhǎng)度，m；

L—巷道寬度，m；

K—抗拉安全系數(shù)，取6；

q—上覆巖層載荷，MPa；

ξ—慣性矩折減系數(shù)，取0.7；

σt—煤層抗拉強(qiáng)度，MPa；

P0—水平原巖應(yīng)力，MPa.

對(duì)于錨索形成的組合拱，采用式(3)計(jì)算：

(3)

式中：

qc—外部均布載荷；

α—錨索在巖體中的控制角，(°)，取22.5；

φb—破碎巖體的內(nèi)摩擦角，(°)；

l2—錨索有效長(zhǎng)度，m；

R0—承壓拱半徑，m.

回收大巷保安煤柱綜采工作面回風(fēng)順槽采用矩形斷面，巷道凈尺寸5 000 mm×3 300 mm. 由式(2)和式(3)求得該巷道的支護(hù)參數(shù)，支護(hù)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5. 根據(jù)懸吊理論，頂板采用規(guī)格為d17.8 mm×4 500 mm的高強(qiáng)錨索，間排距為2 700 mm×3 000 mm，每根錨索配尺寸為300 mm×300 mm×15 mm的方形托盤；錨桿采用規(guī)格為d22 mm×2 200 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，每排頂板和兩幫共14根，間排距為1 000 mm×900 mm，采用2條Z2388樹(shù)脂錨固劑，預(yù)緊力大于20 kN. 此外，頂板配套使用8#鉛絲經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)之間用14#鐵絲雙股扭扣，為預(yù)防巷道回采期間圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步發(fā)育，及時(shí)采取木支架、工字鋼支架或 U 型鋼可縮性支架等進(jìn)行二次支護(hù)。

圖5 回風(fēng)順槽斷面支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 應(yīng)用效果

為進(jìn)一步分析巷道圍巖變形特征，保證巷道的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，對(duì)淋水區(qū)段的3#測(cè)站的巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 3#測(cè)站表面位移圖

由圖6可知，巷道掘進(jìn)初期(20～30 d)，受掘進(jìn)擾動(dòng)影響，圍巖變形量較大，位移以頂板下沉量為主，10 d內(nèi)頂?shù)滓平吭黾又?9.5 mm，兩幫移近量增加至24 mm；掘進(jìn)30 d后，巷道圍巖的移近速度逐漸降低，48 d后，巷道頂?shù)装逦灰扑俣扔?.18 mm/d降低至0.044 mm/d，兩幫移近速度由3.25 mm/d降至0.115 mm/d，此時(shí)該淋水范圍內(nèi)的巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。這說(shuō)明采用“合理布置疏水孔、錨索孔注漿保水和錨索網(wǎng)支護(hù)”的綜合控制手段可以有效控制圍巖變形，保證含水頂板巷道穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1) 根據(jù)臺(tái)頭前灣煤礦回收大巷保安煤柱綜采工作面回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，通過(guò)分析含水砂巖頂板巷道圍巖變形破壞的影響因素，為巷道頂板的控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

2) 通過(guò)理論分析，對(duì)該含水砂巖頂板巷道采用“合理布置疏水孔、錨索孔注漿保水和錨索網(wǎng)支護(hù)”的綜合控制手段，可以增強(qiáng)圍巖的承載性能，避免事故的發(fā)生。

3) 通過(guò)分析礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道掘進(jìn)初期，位移以頂板下沉為主，48 d后該淋水范圍內(nèi)的巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。這說(shuō)明該控制措施可以有效控制圍巖變形，確保巷道的穩(wěn)定性，避免在回采過(guò)程中出現(xiàn)頂板安全事故。