含水巖層下大巷支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

焦 彪

（蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 澤州 048200）

1 工程概況

蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司9#煤層輔運(yùn)大巷掘進(jìn)工作面為太原組煤層，屬石炭系太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層。9#煤層主要含水層為上部太原組K5、K6 灰?guī)r和K7 砂巖，9#煤層距K5 為17.08～27.19 m，含水層分布穩(wěn)定，裂隙較巖溶發(fā)育，各含水層單位涌水量為0.004 9 L/s.m，屬弱富水性的含水層，相互間水力聯(lián)系較弱。9#煤層呈黑色塊狀特征，平均厚度1.14 m。9#煤層輔運(yùn)大巷沿煤層頂板掘進(jìn)，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚2.6 m，砂泥巖上層為細(xì)砂巖，厚2.7 m；直接底為泥巖，厚4.7 m。依據(jù)9#煤層輔運(yùn)大巷掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在上部含水層影響下，成巷后頂板多處淋水，巷道頂板下沉量較大，局部冒頂、片幫嚴(yán)重，需定期返修，為解決此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行輔運(yùn)大巷支護(hù)研究。巷道位置詳情如圖1。

圖1 9#煤輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷位置詳情

2 含水層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析含水層對(duì)巷道圍巖表面位移、圍巖塑性破壞、圍巖內(nèi)應(yīng)力集中情況等的影響[1-2]，以輔運(yùn)大巷掘進(jìn)為工程背景，結(jié)合具體的地質(zhì)條件建立三維模型，模型長(zhǎng)（X 軸）、高（Z 軸）為60 m，厚（Z 軸）為6 m，模型上方模擬300 m 埋深，巖層平均容重取2500 kg/m3，模型頂面施加均布載荷為7.5 MPa。根據(jù)礦方提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果確定各巖層的巖石力學(xué)參數(shù)，輔運(yùn)大巷掘進(jìn)斷面寬×高=5.4 m×3.6 m，煤層上覆巖層開(kāi)啟Config fluid 滲流模式，巷道圍巖孔隙率為0.3，水的密度為1000 kg/m3，巷道周邊巖體內(nèi)設(shè)定為300 m 埋深的孔隙水壓力，在有水、無(wú)水條件下分別計(jì)算平衡得到初始應(yīng)力場(chǎng)，然后巷道一次開(kāi)挖到位，計(jì)算平衡后觀察巷道圍巖受力、變形、破壞等特征。由于篇幅所限，僅將較典型的模擬結(jié)果給出。有水與無(wú)水條件下，巷道圍巖數(shù)值模擬結(jié)果如圖2。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖2（a）、（b）所示結(jié)果可以看出，無(wú)水條件下，輔運(yùn)大巷頂板塑性破壞深度為1.6 m，兩幫塑性破壞深度2.0 m，底板破壞深度1.6 m；含水層條件下，頂?shù)装寮皟蓭退苄云茐纳疃葘?duì)比無(wú)水條件下可以發(fā)現(xiàn)，有水條件下，巷道圍巖塑性破壞深度顯著增大，約為無(wú)水條件下的2.25 倍，巷道頂角、底角部位塑性破壞深度和范圍同樣明顯增大。由圖2（c）、（d）所示結(jié)果可以看出，無(wú)水條件下，輔運(yùn)大巷圍巖發(fā)生矢量位移的深度基本保持在4.0 m以下，而在有水條件下，巷道頂板、兩幫圍巖存在矢量位移的深度達(dá)到4～5.5 m，含水層影響下，圍巖出現(xiàn)矢量位移的范圍明顯增大。結(jié)合以上數(shù)值模擬結(jié)果，總結(jié)含水層對(duì)輔運(yùn)大巷圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道圍巖內(nèi)的水對(duì)巖層本身的影響主要體現(xiàn)：孔隙水壓在巷道開(kāi)挖卸荷后形成更大的負(fù)壓力作用[3]；對(duì)圍巖的軟化作用[4]，含水層影響下，巷道掘進(jìn)期間圍巖塑性破壞范圍顯著增大，巷道表面位移量明顯增大，發(fā)生矢量位移的深度增大，這必然加重支護(hù)承載負(fù)擔(dān)和支護(hù)控制難度。

3 輔運(yùn)大巷支護(hù)技術(shù)

3.1 輔運(yùn)大巷圍巖控制思路及措施

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，總結(jié)出含水層下大巷圍巖控制思路：提高支護(hù)強(qiáng)度；改善圍巖力學(xué)條件；加強(qiáng)頂板水的疏導(dǎo)措施。

根據(jù)9#煤層輔運(yùn)大巷的地質(zhì)條件并結(jié)合前文的數(shù)值模擬結(jié)果，提出以高強(qiáng)錨桿、錨索為主的圍巖控制措施：頂板和兩幫采用高強(qiáng)錨桿，選取適當(dāng)?shù)腻^固方式。巷道淺部圍巖塑性破壞嚴(yán)重，采用高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)改善淺部圍巖的受力特征，調(diào)整巷道肩角處錨桿角度，減小頂板和兩幫間的錯(cuò)動(dòng)。合理配置錨索：以求對(duì)圍巖的協(xié)同控制，頂板和兩幫均需布置錨索，選擇合適的錨索長(zhǎng)度。巷道表面噴漿封閉：通過(guò)表面噴漿，提高巷道表面圍巖的整體性，充分發(fā)揮錨桿、錨索的作用，調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定圍巖的錨固效果。綜上所述，9#煤層輔運(yùn)大巷圍巖控制思路如圖3。

圖3 輔運(yùn)大巷圍巖聯(lián)合支護(hù)思路

3.2 輔運(yùn)大巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)

9#煤層輔運(yùn)大巷采用“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方案。錨桿選用規(guī)格為Ф22 mm×2500 mm 高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，頂板中間5 根間排距1.0 m，最邊緣錨桿間距0.6 m，錨桿向巷道外側(cè)傾斜30°，兩幫錨桿間排距1.0 m，每根錨桿均采用CK2369 樹(shù)脂藥卷錨固劑一支，錨桿直接由7 孔W 鋼帶聯(lián)結(jié)，鋼帶寬200 mm，長(zhǎng)5400 mm；頂板和兩幫錨索選用Ф15.6 mm×6500 mm 鋼絞線，間排距2.4 m×4.0 m，頂板每排4 根，頂板4 根錨索沿巷道中線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，均沿頂板法線方向安裝，兩幫每側(cè)每排2 根，較上部一根距頂板1.6 m，較下部一根距底板1.0 m，每根錨索采用3 根CK2360 樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固；鋼筋梯子梁由Ф14 mm 光圓鋼筋焊接；金屬網(wǎng)采用6#鋼筋焊接，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，搭接長(zhǎng)度100 mm，用16 號(hào)鐵絲聯(lián)結(jié)，雙絲雙扣，隔孔相連。頂板和兩幫噴射混凝土厚度100 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C20；鋪底厚度為200 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C30。根據(jù)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)期間頂板淋水情況，酌情設(shè)置疏水孔和導(dǎo)水槽。9#煤層輔運(yùn)大巷支護(hù)詳情如圖4。

圖4 輔運(yùn)大巷支護(hù)斷面

4 輔運(yùn)大巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果分析

9#煤層輔運(yùn)大巷采用上述支護(hù)方案工業(yè)試驗(yàn)期間，在輔運(yùn)大巷過(guò)后方聯(lián)絡(luò)巷50 m 處布置測(cè)點(diǎn)，采取十字布點(diǎn)法定期記錄巷道表面的位移情況，每天早班和晚班各記錄一次，兩次結(jié)果的平均值為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，整理得到輔運(yùn)大巷表面位移量變化曲線如圖5。如圖5 所示，掘巷前期，巷道表面變形量并不大；截至第22 d，頂?shù)装逡平績(jī)H為24 mm，兩幫移近量?jī)H為15 mm；在成巷第20～60 d，圍巖變形量明顯增大，頂?shù)装逡平吭龃笾?26 mm，兩幫移近量增大至72 mm；而在成巷60～120 d 期間，圍巖變形量?jī)H有微小的增加，頂?shù)装逡平績(jī)H增大5 mm，兩幫移近量增大4 mm，表明此時(shí)巷道圍巖已趨于穩(wěn)定。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況可認(rèn)為：“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土噴漿”聯(lián)合支護(hù)措施有效控制了輔運(yùn)大巷的圍巖變形，取得了較好的支護(hù)效果。

圖5 輔運(yùn)大巷表面位移曲線

5 結(jié)論

以9#煤層輔運(yùn)大巷掘進(jìn)為工程條件，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)、礦壓監(jiān)測(cè)等手段，研究含水層下大巷圍巖控制技術(shù)，所得結(jié)論如下：

（1）含水層影響下，巷道圍巖破壞范圍和程度明顯增大，巷道表面位移量也顯著增大，含水層增大了巷道圍巖的控制難度。

（2）提出采用高應(yīng)力高強(qiáng)錨桿、合理配置錨索、巷道表面噴漿封閉、酌情設(shè)置疏水孔和導(dǎo)水槽等聯(lián)合支護(hù)方案。

（3）“高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索+混凝土噴漿”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制輔運(yùn)大巷的圍巖變形，保證大巷圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。