黑龍煤礦頂板淋水巷道支護技術(shù)研究與應(yīng)用

郭寧靜

（潞安化工蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

潞安集團黑龍煤礦位于山西省臨汾市蒲縣，井田地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，含有12 層煤，4 層煤可采。其中2 號煤層已經(jīng)開采完畢，9 號、10 號、11 號煤為目前礦井的主要可采煤層。10號煤與11號煤合并，厚度為4.8 m，距離9 號煤的平均距離為1.6 m，三層煤采用放頂煤的方式一次性回采。21 采區(qū)煤層頂板富水，在掘進及回采過程中，回采巷道部分區(qū)域淋水嚴重，巷道變形量大，實現(xiàn)淋水條件下的安全回采成為保障煤礦高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。

1 工程概況

2103 工作面位于1040 m 水平21 采區(qū)，東面為采區(qū)準備大巷，西面為井田邊界，北面未開采，南面為已經(jīng)回采的2101 工作面，保護煤柱的寬度為30 m。工作面標高1050～1235 m，地面標高為1273～1430 m。9 號煤的平均厚度為0.8 m，9 號煤無直接頂，上覆0.6 m 的泥巖偽頂隨采隨落，偽頂之上為13.7 m 的致密堅硬的石灰?guī)r，如圖1。

圖1 9 號～11 號煤層位關(guān)系圖

工作面開采方式為綜合機械化放頂煤，割煤高度3.0 m，放煤高度4.2 m，全部垮落法管理頂板，傾斜長度為190.5 m，走向長度726 m。工作面運輸順槽為矩形斷面，規(guī)格為4500 mm×3000 mm，沿煤層底板掘進。

2 巷道失穩(wěn)特征分析

2.1 淋水巷道失穩(wěn)特征

三層煤同采的工作面順槽以錨網(wǎng)支護為主，部分錨桿失效嚴重的區(qū)域采用工字鋼進行了補強支護，但控制效果不理想。該采區(qū)工作面順槽的變形破壞特征主要表現(xiàn)為：

（1）巷道部分區(qū)域頂板淋水現(xiàn)象明顯，部分頂板煤巖體泥化明顯，在水的影響下形成松動冒落區(qū)，煤巖體產(chǎn)生膨脹變形。

（2）部分錨桿索支護體在長期淋水條件下，產(chǎn)生嚴重腐蝕，托盤脫落，錨網(wǎng)大面積破斷，與頂板及兩幫分離，部分頂板梯子梁銹斷，嚴重影響了支護性能。

（3）由于頂板下沉量大，工字鋼各部分受力不均勻，中部受應(yīng)力集中影響破壞嚴重，無法控制巷道的變形。

2.2 淋水圍巖強度測試

在井下對11 號煤和頂板泥巖、石灰?guī)r取樣，實驗室內(nèi)進行飽水和干燥條件下的強度試驗。試塊的規(guī)格為Φ50 mm×100 mm，分為兩組，一組為干燥試塊，在烘干機中進行烘干至質(zhì)量保持不變；一組在井下取的水樣中進行浸泡，浸泡時間不得小于48 h。試驗結(jié)果見表1。

表1 頂板煤巖體力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

由表1 可以看出，頂板煤巖體在飽水狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)均有不同程度的下降，下降幅度均在20%以上。其中頂板石灰?guī)r和11 號煤的單軸抗拉強度下降幅度超過50%。

3 控制技術(shù)及應(yīng)用

對于淋水條件下的巷道，應(yīng)從兩方面進行變形控制。首先是探放水，嚴格執(zhí)行防治水措施，減少巷道的出水，從根本上降低水對圍巖強度的弱化。同時巷道掘進期間，采用高強度的支護材料，強化圍巖弱面，控制裂隙的發(fā)展，保證巷道回采期間的穩(wěn)定[1-6]。

3.1 探放水

2103 工作面運輸順槽的淋水來源為頂板灰?guī)r裂隙水，在掘進過程中采用疏水降壓的方式，在掘進頭布置扇形疏水孔，鉆孔垂距為2.0 m，平距為3.5 m。鉆孔布置如圖2。

圖2 扇形疏水孔布置

鉆孔孔徑75 mm，鉆孔角度在60°～70°之間，深度不得小于頂板石灰?guī)r厚度，保證在20 m 以上。

3.2 巷道支護

根據(jù)2103 運輸順槽的地質(zhì)條件，在理論計算、數(shù)值模擬、工程類比等基礎(chǔ)上確定支護方案如圖3所示。頂板淋水區(qū)域采用添加了NS-1 不飽和聚酯樹脂的防水錨固劑，在干燥區(qū)域，采用常規(guī)錨固劑。

圖3 巷道支護方案（mm）

3.2.1 頂板支護

（1）頂板支護

頂錨桿為Φ18 mm×2400 mm 的高強螺紋鋼錨桿，每排布置6 根，間距如圖3，排距為900 mm。配兩卷CK2360 樹脂藥卷加長錨固，頂錨桿之間采用Φ10 mm 的鋼筋焊成的梯子梁連接。

（2）錨索支護

錨索桁架規(guī)格為Φ17.6 mm×9400 mm，鉆孔深度為9 m，采用四卷CK2360 樹脂藥卷錨固，錨索呈五花布置，間排距為1000 mm×900 mm。

3.2.2 巷幫支護

幫錨桿為Φ18 mm×2000 mm 的高強螺紋鋼錨桿，配兩卷CK2335 樹脂藥卷錨固，間排距為900 mm×900 mm，每幫布置5 根，采用梯子梁連接。

3.2.3 其他支護

部分頂板淋水大的區(qū)域在以上支護的基礎(chǔ)上采取如下加強措施：

（1）設(shè)置泄水孔

錨桿索鉆孔施工中對部分涌水量大、安裝困難的鉆孔，設(shè)置為泄水孔，在間隔不大于500 mm 的區(qū)域重新打孔安裝。同時每隔10 m施工一個泄水孔，尺寸為Φ20 mm×5000 mm，設(shè)置在錨桿排之間。

（2）注漿封閉

巷道掘進過程中對頂板破碎并且淋水嚴重的區(qū)域，在支護過程中，穿過含水層之前，進行注漿封閉。注漿材料為馬麗散，該材料可快速凝固，無滲水性，可迅速封堵裂隙水。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.3.1 錨桿受力

巷道施工過程中，進行了錨固劑與防水錨固劑對錨桿錨固性能的對比試驗，設(shè)置四種不同的方案。方案一、二選擇頂板無淋水區(qū)域分別采用常規(guī)錨固劑和防水錨固劑，方案三、四為在淋水區(qū)域分別采用常規(guī)錨固劑和防水錨固劑。每種方案設(shè)置三組，每組3 根錨桿，分別進行錨固劑測試，結(jié)果見表2。

表2 頂錨桿錨固劑檢測結(jié)果（kN）

由試驗結(jié)果可以看出，在干燥條件下，防水錨固劑和常規(guī)錨固劑的錨固性能差別較小，但遇到頂板淋水后，常規(guī)錨固劑的錨固性能有較大幅度下降，下降幅度為28.9%，嚴重影響支護安全，而防水錨固劑的錨固性能幾乎不變，保持在125 kN 以上。

3.3.2 巷道表面位移

巷道掘進過程中，在淋水區(qū)域和干燥區(qū)域分別設(shè)置三個測點，對巷道表面位移進行觀測，其中測點一位于干燥區(qū)域，測點二位于淋水區(qū)域。觀測結(jié)果如圖4。

圖4 巷道表面位移觀測結(jié)果

由觀測結(jié)果可以看出，新支護方案的頂板支護效果較好，淋水區(qū)域的巷道頂板變形與無淋水區(qū)域差別不大，頂板最終下沉量為41 mm，兩幫移近量為21 mm。

4 結(jié)論

（1）巷道受淋水影響，頂板煤巖體發(fā)生泥化，產(chǎn)生膨脹變形，形成松動冒落區(qū)，同時部分錨桿索腐蝕嚴重，托盤脫落，支護能力降低，造成巷道變形嚴重。

（2）實驗室結(jié)果表明，9 號煤頂板煤巖體在飽水狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)均有不同程度的下降，下降幅度均在20%以上。其中頂板石灰?guī)r和11 號煤的單軸抗拉強度下降幅度超過50%。

（3）頂板淋水條件下，常規(guī)錨固劑的錨固性能有28.9%的下降，而防水錨固劑的錨固性能幾乎不變，保持在125 kN 以上。

（4）通過采取防水錨固劑、設(shè)置泄水孔、注漿加固等措施，2103 運輸順槽巷道變形量小，頂板最終下沉量為41 mm，兩幫移近量為21 mm，取得了較好的支護效果，可為類似條件下的巷道支護提供參考。