松軟有淋水煤巷支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

劉 真

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

井下巷道開挖后，圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，由三向受力轉(zhuǎn)為兩向受力，產(chǎn)生塑性變形。研究表明，對巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性作用的巖層不是強(qiáng)度高的砂巖、灰?guī)r等，而是頂板中存在的泥巖等強(qiáng)度較低的巖層。該類巖層發(fā)生離層下沉，如果支護(hù)強(qiáng)度不足會發(fā)生大面積的冒頂，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)[1-5]。

新景礦8118 工作面頂板為厚度6.4 m的泥巖，并且部分地段淋水嚴(yán)重，巷道控制困難，對安全生產(chǎn)造成了影響。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

新景礦8118 綜采工作面所采煤層為8 號煤，位于+525 m 水平，地面標(biāo)高+915～+1 095 m，工作面標(biāo)高+498～+578 m，埋藏深度為337～597 m。該煤層煤質(zhì)好，屬中灰、中硫的優(yōu)質(zhì)無煙煤。工作面煤層厚度2.06～3.71 m，平均厚度2.76 m；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有兩層穩(wěn)定的夾矸，煤層傾角2°～10°，平均傾角6°。8 號煤基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度7.3 m，并夾煤線，硅質(zhì)膠結(jié)，交錯(cuò)層理發(fā)育；直接頂為黑色泥巖，厚度6.4 m，比較破碎，夾大量菱鐵礦結(jié)核，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖；直接底為3.45 m 的灰黑色砂質(zhì)泥巖，性硬而脆，含植物碎片化石，下部含砂量較大。

8118 工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化開采，工作面傾斜長度200 m，走向長度2 170 m。工作面兩巷均為矩形斷面，規(guī)格為3.8 m×2.7 m。

1.2 存在的問題

（1）8 號煤的直接頂為黑色泥巖穩(wěn)定性差，松軟易冒落。基本頂為細(xì)粒砂巖，含有一層煤線，裂隙發(fā)育。從8 號煤其他工作面的巷道情況來看，直接頂和基本頂?shù)姆€(wěn)定性普遍較差，巷道變形嚴(yán)重，對煤礦安全生產(chǎn)造成了一定的影響。

（2）巷道頂板淋水嚴(yán)重。錨索安裝時(shí)遇水，會在粘結(jié)面上形成弱面，并且服務(wù)期間遭水浸泡，弱化錨固劑錨固強(qiáng)度，從而降低錨索的錨固力，對支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立

根據(jù)測定的巖石力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D軟件模擬不同支護(hù)參數(shù)下對巷道圍巖的控制效果。

模型X 軸方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，頂板方向?yàn)閆 軸。計(jì)算模型的尺寸為82 m×40 m×47 m，運(yùn)輸巷圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫侖模型。

模型上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，應(yīng)力為均布載荷q，由于本次開挖巷道埋深在467 m 左右，于是原巖應(yīng)力q=γh=2 500×9.8×467=11.4 MPa，處于平衡狀態(tài)的模型見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

2.2 模擬方案

利用該模型對不同錨索長度和排距下的巷道圍巖變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，模擬方案見表1。

表1 錨索模擬方案

2.3 模擬結(jié)果分析

（1）錨索長度的確定

在不同錨索長度下，巷道圍巖的變形形態(tài)基本相似，但數(shù)值大小差別較大。不同錨索長度下的巷道圍巖變形值見圖2。

圖2 錨索長度與圍巖變形的關(guān)系

由圖2可以看出，不同錨索長度下的底臌量幾乎保持不變，保持在50 mm 左右。對頂板下沉量影響最大。隨著錨索長度的增加，頂板下沉量變小，近似呈反比關(guān)系。當(dāng)錨索長度為5.3 m 時(shí)，頂板下沉量為123 mm；當(dāng)錨索長度小于7 m 時(shí)，長度對兩幫移近量和頂板下沉量的影響最大；當(dāng)錨索長度由6.8 m 增加為7.8 m 時(shí)，對巷道頂板和兩幫的控制效果增加不明顯，因此錨索長度確定為6.8 m。

（2）錨索排距的確定

在6.8 m 錨索長度下，不同錨索排距的巷道圍巖變形見圖3。

圖3 錨索排距與圍巖變形的關(guān)系

可以看出，錨索排距大小對整個(gè)圍巖位移影響較大，尤其是頂板下沉和兩幫移近量。錨索排距為0.85 m 增加為1.7 m 后，頂板和兩幫變形量分別增加了10.1%、8.46%，說明錨索排距為0.85 m或1.7 m 時(shí)對頂板及兩幫影響并不十分明顯；當(dāng)錨索排距從1.7 m 增加為2.55 m 時(shí)，頂板和兩幫變形量分別增加了32.33%、22.17%，當(dāng)排距繼續(xù)增加到3.4 m 時(shí)，與排距為1.7 m 相比，頂板及兩幫變形量分別增加了68.1%、52.8%。很明顯，當(dāng)排距超過1.7 m 時(shí)，圍巖移近量增長迅速，尤其是排距為3.4 m 時(shí)，頂板及兩幫變形嚴(yán)重。

3 泥巖夾層淋水巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用工程類比、理論計(jì)算等方式確定8118 工作面順槽的支護(hù)方案見圖4。

圖4 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）頂板支護(hù)

頂錨桿為Φ20 mm×2 400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，樹脂錨固，每根錨桿使用CK2340 樹脂藥卷兩支。錨桿間排距為850 mm×850 mm。頂錨桿配Φ12 mm 的鋼筋焊接的鋼筋梯子梁，寬度80 mm，長度3 600 mm。

采用Φ15.24 mm，1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度6.8 m，鉆孔直徑28 mm，每根錨索使用CK2340 樹脂藥卷四支。錨索成“一·一”布置，布置在兩排錨桿中間，且位于巷道中間部位，垂直頂板，排距為1 700 mm。

（2）巷幫支護(hù)

錨桿規(guī)格及錨固方式：桿體為Φ18 mm 普通麻花錨桿，長度1 800 mm，每根錨桿使用兩支K3540 樹脂錨固劑，間排距為850 mm×850 mm。

3.2 鉆孔淋水防治措施

（1）在巷道頂板布置卸水孔

沿淋水大的區(qū)域頂板打孔專門用于排水，如果錨桿索鉆孔淋水嚴(yán)重，則作為泄水孔，在附近重新補(bǔ)打錨桿或者錨索。

（2）采用防水錨固劑

所有的錨桿和錨索均使用防水樹脂錨固劑。該類錨固劑能夠在有水的條件下起到很好的粘結(jié)、錨固作用，在支護(hù)過程中能及時(shí)承載，對頂板淋水條件下提高錨桿錨索支護(hù)的預(yù)緊力起到了很好作用。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 礦壓觀測內(nèi)容

為了驗(yàn)證新支護(hù)設(shè)計(jì)方案的控制效果，研究設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的合理性，在8118 工作面順槽中設(shè)置測站，進(jìn)行礦壓觀測，主要觀測內(nèi)容包括：

（1）巷道表面位移

采用十字布點(diǎn)法觀測，測量頻率為距掘進(jìn)頭10 m 之內(nèi)，每1 天觀測一次，其它時(shí)間每兩天觀測一次。

（2）頂板離層

每隔50 m 安設(shè)一個(gè)頂板離層指示儀，離層儀的淺部基點(diǎn)需大于錨桿長度，一般取3 m，深部基點(diǎn)大于錨索的長度，取7.0 m。觀測頻率與巷道表面位移觀測頻率相同。

（3）錨桿錨固力和預(yù)緊力矩

使用張拉器對錨桿錨固力進(jìn)行抽檢，比例為錨桿排數(shù)的10%，每排頂和兩幫各抽檢一根。頂錨桿錨固力需大于120 kN，幫錨桿需大于80 kN。

采用扭矩扳手對錨桿預(yù)緊力矩進(jìn)行抽檢，比例為錨桿排數(shù)的30%，頂錨桿每排抽檢一根。頂錨桿預(yù)緊力矩不得低于180 N·m，幫錨桿不得低于100 N·m。

4.2 礦壓觀測結(jié)果

巷道表面位移的觀測結(jié)果見圖5。

圖5 巷道表面位移觀測結(jié)果

由圖5可以看出，巷道掘進(jìn)后變形速率穩(wěn)定，到30 d 左右達(dá)到穩(wěn)定，頂板最大下沉量為120 mm。

離層觀測數(shù)據(jù)表明，巷道離層主要發(fā)生在錨桿錨固的區(qū)域，最大離層值為25 mm，深部基點(diǎn)穩(wěn)定，未出現(xiàn)離層。

在部分淋水較大的區(qū)域，部分錨桿錨固力和預(yù)緊力不足，對于不合格的錨桿進(jìn)行了補(bǔ)打，保證了支護(hù)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

1）8118 工作面順槽為泥巖頂板，且有淋水，巷道的自穩(wěn)能力差，受水影響在粘結(jié)面上形成弱面，弱化錨固劑錨固強(qiáng)度，降低錨固力，影響支護(hù)效果。

2）數(shù)值模擬表明，錨索長度和排距對巷道頂板下沉和兩幫收斂的影響較大，最終確定錨索長度為6.8 m，排距為1.7 m。

3）通過設(shè)置泄水孔、采用防水錨固劑等措施，8118 工作面順槽斷面收縮率小，頂板最大下沉量為120 mm，保證了工作面的正常生產(chǎn)。