富水頂板巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)

王勝利

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

隨著開采深度的加大，富水頂板對巷道掘進(jìn)過程中的制約愈加嚴(yán)重，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[1-7]，部分礦區(qū)有50%的冒頂事故是由于頂板巖層在吸水或者失水過程中引起圍巖強(qiáng)度劣化造成的。因此開展富水條件下巷道圍巖的變形破壞機(jī)理及關(guān)鍵控制技術(shù)研究，對提高類似巷道的穩(wěn)定性具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 富水巷道變形機(jī)理分析

巷道開挖前受超前支撐壓力的影響，前方圍巖已經(jīng)產(chǎn)生明顯的塑性變形，該變形量約占巷道總變形量的30%。巷道開挖后，改變了巖體的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，巖體由原來的三向受壓變?yōu)殡p向受力，尤其是巷道表面圍巖將向開挖空間產(chǎn)生較大的膨脹變形，當(dāng)該形變量超過巖體的抗拉強(qiáng)度時，巷道跨中位置會產(chǎn)生大量的縱向張拉裂縫，從而使頂板巖層的滲透性加大。同時在頂板錨桿、錨索施工的過程中，部分穿過含水層的鉆孔將成為二次導(dǎo)水通道，加大頂板圍巖與含水層之間的水力聯(lián)系，此時砂質(zhì)泥巖、粉砂巖中含有的粘土性礦物將遇水產(chǎn)生較大的膨脹變形，加大頂板巖層失穩(wěn)的風(fēng)險。

在頂板水的長期作用下，托盤、 錨桿錨索桿體、金屬網(wǎng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的銹蝕變形，承載能力也將降低，特別是部分樹脂類藥卷對礦井水的適應(yīng)性較差，在長期的浸潤作用下粘結(jié)力將產(chǎn)生較大的波動，所以整個支護(hù)結(jié)構(gòu)無論是在錨固端還是承載端，在頂板水的作用下將明顯弱化，對圍巖的主動支護(hù)控制效果也將整體削弱。

2 關(guān)鍵控制技術(shù)

新元礦六采區(qū)回風(fēng)巷原設(shè)計(jì)為矩形斷面，采用錨桿+ 錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板巖層由下至上依次為砂質(zhì)泥巖（3.2 m）、中砂巖（7.2 m）、粉砂 巖（24.2 m），中砂巖是影響巷道的主要含水層，掘進(jìn)期間巷道有明顯的淋水現(xiàn)象，頂板離層剝落，開掘后發(fā)生明顯的膨脹變形。

通過布置疏放孔對頂板含水層進(jìn)行疏放是控制富水巷道頂板變形破壞的有效手段，為保證鉆孔的疏放效果，需利用窺視孔準(zhǔn)確標(biāo)定頂板主裂隙的分布位置，探明出水點(diǎn)的層位，如圖1所示。將該巷道疏水鉆孔的直徑確定為80 mm，終孔深度位于含水層主裂隙面1.5 m，在綜合測定該區(qū)域頂板含水量的基礎(chǔ)上將疏放孔沿巷道掘進(jìn)方向的間距為20 m，施工角度與巷道法線呈15°夾角。為了對頂板水起到良好的引流收集作用，疏放孔全部要安裝與鉆孔直徑相當(dāng)?shù)腜VC 導(dǎo)管，疏放完成后用水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行封堵，整個封孔段的長度要大于鄰近施工錨桿的法向長度。

圖1 疏放水鉆孔布孔深度

L=L1+L2+L3=3.2+2.8+1.5=7.5 m

式中：L 為疏放水鉆孔長度；L1為直接頂巖層厚度，取3.2 m；L2為直接頂巖層與含水層主裂隙之間的距離，2.8 m；L3為疏放水鉆孔深入含水層主裂隙發(fā)育面的距離，取1.5 m。

巷道斷面形狀是影響巷道斷面穩(wěn)定性的一個重要因素。為此本文運(yùn)用FLCD3D數(shù)值模擬軟件，對富水頂板條件小矩形及直墻半圓拱形兩類巷道在開挖支護(hù)后的應(yīng)力演化規(guī)律和變形破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。因篇幅限制文章只列出最終的數(shù)據(jù)提取結(jié)果，如圖2所示。在斷面積及支護(hù)強(qiáng)度相同的情況下，拱形巷道頂板及兩幫的變形量分別為127 mm 和68 mm，矩形巷道頂板及兩幫的變形量分別為149 mm 和115 mm，在兩幫變形量上矩形巷道是拱形巷道的1.69 倍。所以在保證運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等要求的前提下，將原設(shè)計(jì)的矩形巷道斷面調(diào)整為直墻半圓拱形。

圖2 不同斷面巷道變形量

錨桿鉆孔在施工完成后將會增加富水頂板與鄰近含水層之間的水力聯(lián)系，成為除采動裂隙外的另一重要補(bǔ)水通道，故要增加端頭錨固藥卷的長度甚至采用全長錨固的加固手段，達(dá)到封堵裂隙和增強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)剛度的目的。結(jié)合巷道的具體特點(diǎn)，采用錨桿加錨索聯(lián)合支護(hù)的形式，頂部采用Φ21.6 mm×8 300 mm 錨索，配套300 mm×300 mm×10 mm 的拱形托盤，預(yù)緊力180 kN，錨索采用全長錨固的形式，為提高錨索錨固質(zhì)量選擇快速藥卷和中速藥卷相搭配，如圖3所示。頂板鋪網(wǎng)數(shù)量由原先的一層改變?yōu)閮蓪樱渲欣飳訛楦叻肿硬牧纤芰暇W(wǎng)，外層為金屬菱形網(wǎng)。幫部采用Φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，預(yù)緊力為400 N·m，端部使用1 節(jié)Z2860 樹脂藥卷加長錨固。

圖3 優(yōu)化后巷道斷面支護(hù)

富水巷道頂板在吸水后容易發(fā)生膨脹、崩解，在開挖支護(hù)完成后必須及時對巷道表面進(jìn)行噴射混凝土覆蓋，有效充填圍巖表面裂隙，提高圍巖的強(qiáng)度，降低圍巖風(fēng)化程度。巷道掘進(jìn)支護(hù)完成后要噴射C20 混凝土對暴露面進(jìn)行全覆蓋，噴厚不低于100 mm。

3 效果評價

巷道開挖后1～20 d 內(nèi)變形量較大，頂?shù)装宓囊平繛?02 mm，兩幫的移近量為25.1 mm，分別占整個監(jiān)測周期總變形量的57.6%和66.3%，變形速率分別為5.1 mm/d 和1.26 mm/d，如圖4所示。在21～60 d這一區(qū)間內(nèi)，巷道變形量呈小幅遞增的趨勢，在61 d 后巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟糠謩e穩(wěn)定在177 mm 和38 mm。采用新的控制措施后巷道頂板的變形量基本可控，未見噴漿體脫落、開裂等明顯的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

圖4 監(jiān)測斷面巷道變形量

4 結(jié)論

針對新元煤礦頂板富水條件下巷道的變形機(jī)理及關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行的研究，得出結(jié)論如下：

1）在含水層的作用下頂板巖層中的黏土性礦物將發(fā)生嚴(yán)重的膨脹變形，錨桿、錨索支護(hù)體施工期間將會加大含水層與工作面之間的水力聯(lián)系。常規(guī)藥卷也會在頂板水的影響下粘結(jié)力出現(xiàn)下降。

2）頂板專用疏放水鉆孔的直徑為80 mm，布孔深度應(yīng)保證其深入到含水層主裂隙1.5 m，以達(dá)到良好的疏放效果。

3）在斷面積及支護(hù)強(qiáng)度相同的情況下，拱形巷道頂板及兩幫的變形量分別僅為矩形巷道的85%、60%，所以在保證運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等要求的前提下，將原設(shè)計(jì)的矩形巷道斷面調(diào)整為直墻半圓拱形斷面。

4）開挖支護(hù)完成后的前20 d 內(nèi)頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾史謩e為5.1 mm/d 和1.26 mm/d，最終頂?shù)装寮皟蓭偷囊平糠謩e為177 mm 和38 mm。