淋水巷道頂板失穩(wěn)原因及控制技術(shù)研究

魏曉陽

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

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)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化大型礦井之中。但對特殊地質(zhì)條件的礦井而言，巷道頂板的穩(wěn)定性問題并沒有得到根本解決，特別是巷道淋水的存在，不僅使得巷道圍巖強(qiáng)度降低，巷道難以維護(hù)，還會對頂板的支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)材料產(chǎn)生弱化作用，易引發(fā)頂板事故。為此，在分析頂板淋水對巖體變形破壞影響的基礎(chǔ)上，以潞寧礦22116 運輸巷為例，對該淋水巷道頂板不穩(wěn)定的原因及其控制技術(shù)進(jìn)行研究分析。

1 工程背景

22116 工作面位于二二區(qū)采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22114 采空區(qū)，下部為二二采區(qū)22118 采空區(qū)。工作面平均走向長1877 m，傾向長178 m，地面標(biāo)高1466～1610 m，工作面標(biāo)高1037～1057 m?，F(xiàn)主采侏2#煤，煤層厚度為1.0～5.0 m，平均厚度為3.5 m，平均傾角4.5°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含有不連續(xù)薄層炭質(zhì)泥巖夾矸。直接頂以細(xì)粒砂巖及泥巖為主，平均厚度16 m，抗水侵能力差；基本頂為厚度2.6 m 的中粒砂巖，上接23 m 的細(xì)粒砂巖，以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)。影響22116 運輸巷安全生產(chǎn)的主要出水層為2#煤頂板的基巖孔隙裂隙水含水層和2#煤層與3#煤層之間的砂巖含水層水。由于2#煤頂板含水層主要由大同組灰色砂巖組成，受采掘擾動的影響，裂隙水的侵蝕不僅弱化了巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，而且造成錨桿、錨索錨固失效。

2 失穩(wěn)機(jī)理分析

22116 運輸巷采用矩形斷面，巷道斷面尺寸為5000 mm×3600 mm。巷道頂板采用規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，錨桿全部打設(shè)在鋼筋托梁的方格內(nèi)。沿巷道中心線對稱布置規(guī)格為Ф21.6 mm×7300 mm 的高強(qiáng)度錨索。工程實踐表明，該支護(hù)條件下巷道頂板巖體發(fā)生崩解、破壞，支護(hù)效果不佳。根據(jù)該礦現(xiàn)場實測情況，結(jié)合水作用下巖石的弱化機(jī)理，分析該運輸巷頂板失穩(wěn)破壞的原因有以下幾方面。

（1）受采掘擾動影響，巷道頂板的煤巖體節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，巷道圍巖塑性區(qū)向圍巖深部擴(kuò)展，裂隙連通了上部含水層水，造成巷道頂板出現(xiàn)淋水狀態(tài)。

（2）頂板的巖體在水侵蝕作用下改變了其物理力學(xué)性質(zhì)，降低了巷道圍巖強(qiáng)度，從而引起頂板出現(xiàn)離層、下沉，如圖1（a）所示。

（3）在礦井水的長期侵蝕作用下，支護(hù)材料中的錨桿和托盤等金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生銹蝕，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，如圖1（b）所示。此外，錨固劑遇水后其反應(yīng)物粘結(jié)強(qiáng)度降低，破壞了錨桿和錨索支護(hù)的承載性能，弱化了其對圍巖的約束作用。

圖1 淋水巷道頂板失穩(wěn)實況

3 圍巖控制對策分析

針對淋水巷道頂板發(fā)生失穩(wěn)的原因，采用有控疏水技術(shù)，減少水對頂板的侵蝕弱化作用。此外，對于支護(hù)材料因銹蝕而弱化其承載性能的問題，采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)增強(qiáng)巷道頂板的強(qiáng)度。

3.1 有控疏水技術(shù)

有控疏水技術(shù)是指沿巷道走向合理布置疏水孔，有效控制水流動過程。一般來說，頂板淋水的存在不僅使巖體發(fā)生崩解破壞，還會對樹脂的錨固作用產(chǎn)生影響。為此，利用鉆孔探測手段，觀測頂板含水層內(nèi)部裂隙分布的特點，合理布置疏水孔進(jìn)行搜索性疏水，減少水對頂板的侵蝕弱化作用。

為有效控制巷道頂板水流，疏水孔的孔徑選取75 mm，傾角75°為宜，鉆孔孔口端采用硬PVC管或高強(qiáng)度無縫鋼管，疏水結(jié)束后應(yīng)及時封堵鉆孔，并對巷道頂板進(jìn)行防風(fēng)隔水處理，封孔材料可根據(jù)現(xiàn)場情況因地制宜選取。布置的疏水孔剖面如圖2，鉆孔的長度L 為：

式中：Ll為直接頂厚度，m；L2為基本頂厚度，m；L3為疏水孔穿透基本頂含水層厚度，m。

圖2 疏水孔剖面圖

3.2 高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)

頂板穩(wěn)定是巷道圍巖穩(wěn)定的前提，由于巷道頂板在水侵蝕作用下弱化，這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)在支護(hù)時能適應(yīng)頂板巖體破壞階段的大變形。工程實踐表明，采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)可以有效增強(qiáng)支護(hù)材料的剛度和延展性，大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的整體承載性能。為此，頂錨桿采用組合梁計算，錨桿的有效控制長度l 為：

式中：l 為錨桿有效控制長度，m；L 為巷道寬度，m；K 為抗拉安全系數(shù)；q 為上覆巖層載荷，MPa；ξ 為慣性矩折減系數(shù)；σt為煤層抗拉強(qiáng)度，MPa；P0為水平原巖應(yīng)力，MPa。

錨索的有效長度采用式（3）進(jìn)行計算。

式中：α 為錨索在巖體中的控制角，（°）；qc為外部均布載荷，MPa；l2為錨索有效長度，m；φb為破碎巖體的內(nèi)摩擦角，（°）；D 為錨索間排距，m；R0為承壓拱半徑，m；Ps為錨索的最大粘結(jié)力，kN。

根據(jù)該礦的水文地質(zhì)資料，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，由式（2）和式（3）求得該巷道的支護(hù)參數(shù)如圖3。巷道頂板采用的錨桿規(guī)格和間排距與原方案保持一致，配套高強(qiáng)度加長螺母，并在螺母與托盤之間添加墊圈，提高錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散效果；同時，將錨索規(guī)格優(yōu)化為Φ21.6 mm×4300 mm，材質(zhì)和間排距保持不變。巷道頂板鋪設(shè)5400 mm×800 mm 的雙層網(wǎng)，里層為塑鋼網(wǎng)，外層為菱形金屬網(wǎng)。此外，為預(yù)防巷道回采期間圍巖松動圈進(jìn)一步發(fā)育，需要對部分區(qū)域及時進(jìn)行二次支護(hù)。

圖3 運輸順槽斷面支護(hù)設(shè)計

4 巷道圍巖控制效果

為檢驗該巷道頂板的控制效果，在巷道淋水段布置測站對巷道圍巖的表面位移情況進(jìn)行監(jiān)測，并對3#測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4。

圖4 3#測站表面位移

由圖4 可知，巷道掘進(jìn)初期，圍巖變形量較大，巷道頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平浚渲许敯逡平啃∮?0 mm，兩幫移近量小于39 mm；20 d 后，巷道圍巖的移近速度逐漸降低，頂板的位移速度由3.18 mm/d 降低至0.044 mm/d，兩幫的移近速度由2.25 mm/d降至0.115 mm/d，巷道頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，監(jiān)測期間的錨桿（索）等支護(hù)材料未出現(xiàn)銹蝕、脫落等不良情況，這充分說明該圍巖控制方案是科學(xué)的、合理的，滿足巷道支護(hù)要求。

5 結(jié)論

（1）通過理論分析揭示淋水巷道頂板失穩(wěn)的原因為巷道頂板在水侵蝕作用下弱化，支護(hù)的承載性能衰減，進(jìn)而導(dǎo)致巷道頂板失穩(wěn)。

（2）針對頂板失穩(wěn)的原因，采用有控疏水技術(shù)進(jìn)行搜索性疏水，減少水對頂板的侵蝕弱化作用；同時采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)適應(yīng)頂板巖體破壞階段的大變形，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載性能。

（3）現(xiàn)場位移監(jiān)測結(jié)果表明，優(yōu)化后的巷道頂板移近量小于50 mm，兩幫移近量小于39 mm，監(jiān)測期間的錨桿（索）等支護(hù)材料未出現(xiàn)銹蝕、脫落等不良情況，巷道圍巖控制效果較好，可為相同工程地質(zhì)條件下巷道控制提供參考和借鑒價值。