頂板淋水巷道圍巖控制技術(shù)研究

張玉偉

【摘 要】 文章針對頂板淋水導(dǎo)致巷道圍巖松軟、支護體系強度降低、圍巖變形量過大問題，在對頂板淋水對圍巖變形影響分析基礎(chǔ)上，提出含水層疏排+導(dǎo)水裂隙封堵+強化巷道支護等方式控制頂板淋水段巷道圍巖變形，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。取得主要結(jié)論為：1）2506運輸巷頂板直接頂以泥巖為主，在頂板淋水作用下直接頂出現(xiàn)砂化、泥化，強度及承載能力顯著降低且淋水作用下原有的錨網(wǎng)索支護體系強度降低，因此降低頂板淋水、封堵導(dǎo)水裂隙以及提升圍巖支護強度是控制頂板淋水巷道圍巖變形關(guān)鍵;2）在頂板淋水區(qū)域掘進時采用超前疏排水鉆孔對頂板裂隙水進行疏排，增加錨桿（索）錨固長度、圍巖注漿、巷道表層噴漿等方式封堵導(dǎo)水裂隙并降低淋水量可為圍巖支護創(chuàng)造良好條件;3）通過加密錨桿、增加錨索長度以及錨桿索預(yù)緊力，來提升淋水段巷道圍巖支護強度，提高圍巖穩(wěn)定性，現(xiàn)場應(yīng)用后，淋水段巷道頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟糠謩e控制在49mm、40mm以內(nèi)，取得較好圍巖控制效果。

【關(guān)鍵詞】 巷道掘進;圍巖控制;頂板淋水;導(dǎo)水裂隙;封堵;錨網(wǎng)索支護

【中圖分類號】 TD322 【文獻標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0019-03

本文采用現(xiàn)場實測以及理論分析技術(shù)手段對頂板淋水巷道圍巖變形原因及控制技術(shù)展開分析，以期能在一定程度上提升頂板淋水巷道圍巖控制效果。

1工程概況

山西某礦2506工作面主采的5#煤層厚度平均3.0m、埋深226m、傾角2～7°。2506運輸巷設(shè)計掘進距離為840m，沿5#煤底板掘進，斷面矩形（凈高、凈寬分別為3.0m、4.5m），具體巷道位置關(guān)系見圖1所示。

5#煤層頂板以泥巖、石灰?guī)r為主，其中頂板石灰?guī)r中含有一定量的裂隙水。巷道2506運輸巷掘進至520m位置時頂板出現(xiàn)不同程度淋水，圍巖變形嚴重，給巷道使用以及后續(xù)掘進安全帶來嚴重隱患。

2頂板淋水巷道圍巖變形分析

頂板淋水導(dǎo)致巷道圍巖變形量增加的主要原因是在水作用下巷道圍巖出現(xiàn)一定程度的破壞，受水侵蝕弱化后，圍巖變形前期以軟弱圍巖擴容為主，后期變形向圍巖深部轉(zhuǎn)移，頂板出現(xiàn)一定離層。在水的作用下圍巖強度降低，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。根據(jù)礦井水文地質(zhì)資料并結(jié)合水對巖層弱化作用，分析2506運輸巷在頂板淋水區(qū)域圍巖失穩(wěn)的主要原因為：

受巷道掘進影響圍巖應(yīng)力重新分布，在掘進影響范圍內(nèi)煤巖體裂隙擴展。巷道掘進至頂板富水區(qū)域時，圍巖裂隙與頂板裂隙水含水層連通，從而導(dǎo)致頂板出現(xiàn)一定程度淋水。

2506運輸巷直接頂以泥巖為主，在水的作用下砂質(zhì)泥巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變的同時出現(xiàn)一定的膨脹變形，隨著時間增加導(dǎo)水巷道直接頂出現(xiàn)嚴重的砂化、泥化現(xiàn)象，頂板強度及剛度顯著降低，見圖2（a）。

在頂板淋水侵蝕作用下錨桿、托盤等均出現(xiàn)嚴重銹蝕，承載力降低，錨固性能降低，部分錨桿、錨索甚至出現(xiàn)脫落問題，從而導(dǎo)致錨桿支護體系完整性及整體性遭到破壞，見圖2（b）。

在頂板淋水影響下，圍巖強度及穩(wěn)定性有所降低，導(dǎo)致原有的支護系統(tǒng)強度降低或者部分失效，從而引起巷道頂板、巷幫出現(xiàn)嚴重變形，部分區(qū)域出現(xiàn)懸頂以及煤壁片幫等安全風(fēng)險，見圖2（c）。

3巷道圍巖控制技術(shù)

通過分析頂板淋水巷道圍巖變形原因，為了確保巷道圍巖穩(wěn)定，首先應(yīng)降低淋水對巷道圍巖弱化作用。在巷道掘進過程中采用合理的防治水措施從本質(zhì)上可降低淋水對圍巖弱化;在巷道支護時采用高強支護材料對圍巖進行強支護，通過調(diào)整圍巖受力狀態(tài)可控制圍巖破壞范圍，從而有效控制圍巖變形。為此，提出合理布置疏排水鉆孔+巷道圍巖注漿+高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護等綜合手段控制淋水段巷道圍巖變形。

3.1疏排水

根據(jù)2506運輸巷水文地質(zhì)資料，判定頂板淋水水源為5#煤層上覆石灰?guī)r裂隙水。受巷道掘進影響，圍巖中產(chǎn)生的裂隙與裂隙水含水層及采空區(qū)聯(lián)通，通過合理布置疏排水鉆孔可在一定程度上降低巷道頂板淋水

在2506運輸巷掘進過至富水區(qū)域時布置的疏排水鉆孔呈扇形，對頂板裂隙水含水層預(yù)先進行疏排，具體疏排水鉆孔布置見圖3，鉆孔平距為3m，垂距為1.5m。鉆孔布置傾角介于60～70°，孔徑為75mm，鉆孔終孔均在頂板石灰?guī)r內(nèi)。

3.2巷道圍巖隔水

為降低淋水對圍巖弱化影響，提升圍巖穩(wěn)定性，提出封閉錨桿（索）鉆孔、圍巖注漿加固以及巷道表層封閉等技術(shù)對圍巖進行隔水。

封閉錨桿（索）鉆孔。錨桿（索）錨固時采用的樹脂錨固劑具有速凝特點，通過增加2506運輸巷布置的錨桿（索）錨固長度，可達到封堵錨桿（索）鉆孔目的，減少錨桿（索）與頂板裂隙水含水層間水力聯(lián)系并提升錨桿（索）支護效果。

圍巖注漿加固。巷道在頂板富水區(qū)域掘進時，通過注漿方式封堵圍巖裂隙，從而降低裂隙水給圍巖錨桿（索）影響并提升圍巖承載能力。由于2506運輸巷頂板巖層中含有方解石、高嶺石等黏土礦物，因此選用的注漿加固材料應(yīng)具備快速凝結(jié)、疏水性以及無滲水等特點。為此，注漿材料選用馬麗散，注漿壓力為3～5MPa。

表層噴漿。巷道掘進完成后即噴射厚度50mm的C20混凝土，支護完成后再次噴射，從而封閉巷道表層裂隙，減少頂板淋水。

3.3高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護

2506運輸巷斷面為矩形（凈寬×凈高=4500mm×3000mm），具體支護設(shè)計見圖4。

頂板支護采用規(guī)格φ20mm×2400mm螺紋鋼錨桿、規(guī)格φ17.8mm×6300錨索進行支護。錨桿間排距均為1000mm，兩側(cè)角錨桿均外插15°角，采用1支CK2360錨固劑錨固錨桿頂端、1支k2350錨固劑錨固錨桿尾端;錨索間排距均為2000mm，布置在兩排錨桿中間，采用兩支CK2360錨固劑錨固錨鎖頂端，4支k2350錨固劑錨固錨索尾端。

為了便于回采，在采面幫采用φ20mm×2000mm玻璃鋼錨桿支護，每排3根，間距為1250mm、排距為1000mm，上下兩根錨桿均外插30°;在煤柱幫采用φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿支護，每排4根，間距為850mm、排距為1000mm，上下兩根錨桿均外插30°。巷幫錨桿均采用1支CK2360錨固劑錨固錨桿頂端、1支k2350錨固劑錨固錨桿尾端。

此外在頂板鋪設(shè)10#鐵絲網(wǎng)（規(guī)格4000mm×1100mm）、鋼筋梯子梁（規(guī)格φ14mm×3800mm）提升錨桿（索）支護效果;在巷幫鋪設(shè)的10#鐵絲網(wǎng)、鋼筋梯子梁規(guī)格分別為3000mm×1100mm、φ14mm×2800mm。

4圍巖控制效果分析

在巷道掘進過頂板淋水區(qū)域時，布置測站對圍巖控制效果進行監(jiān)測，具體結(jié)果見圖5。

從圖中看出，巷道初期掘進期間（0～20d）內(nèi)，受掘進影響，巷道圍巖變形量較大且以頂?shù)装遄冃螢橹鳎渲许數(shù)装逶诰蜻M支護完成10d內(nèi)變形量達到39.3mm、巷幫為23.5mm;巷道支護完成30d后，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定。支護5d后頂?shù)装?、巷幫變形量增加速度達到峰值，分別為5.4mm/d、3.3mm/d，支護16d后頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟吭黾铀俣确謩e降低至0.53mm/d、0.50mm/d，支護完成30d后頂?shù)装?、巷幫變形量增加速度分別降低至0.043mm/d、0.123mm/d。在監(jiān)測期間頂?shù)装濉⑾飵妥畲笞冃瘟糠謩e為49mm、40mm，圍巖變形在允許范圍內(nèi)，表明文中所提頂板淋水巷道圍巖控制技術(shù)效果顯著。

5結(jié)論

頂板淋水是制約2506運輸巷掘進安全的主要安全風(fēng)險，在頂板淋水作用下巷道圍巖弱化、錨網(wǎng)索支護體系強度降低，從而導(dǎo)致圍巖變形量增加。

提出采用疏排水、封堵錨桿（索）鉆孔、巷道表層噴漿以及強化圍巖支護等措施控制巷道圍巖變形?，F(xiàn)場應(yīng)用后，在頂板淋水段巷道頂?shù)装?、巷幫變形量分別控制在49mm、40mm以內(nèi)，取得顯著圍巖控制效果。

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