錦程煤礦頂板淋水圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

吳雪峰

（臨汾宏大錦程煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

錦程煤礦目前主采9+10#煤層，位于太原組下段，煤層厚度為3.8～4.6 m，平均為4.2 m；煤層傾角0°～16°，煤層結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定。10-205 工作面運(yùn)輸順槽為矩形斷面，巷道寬3.5 m，高2.8 m，沿煤層底板掘進(jìn)。巷道頂板由頂煤及泥巖構(gòu)成，平均厚度2.4 m；基本頂由均厚6.2 m 的K2 石灰?guī)r組成；底板為泥巖，厚度2.3～4.4 m，平均厚度2.9 m。

根據(jù)10-205 工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)揭露分析，順槽掘進(jìn)期間穿過金山溝向斜軸，中部低兩端高，在掘進(jìn)期間多處頂板淋水。受淋水影響，巷道圍巖變形嚴(yán)重，支護(hù)構(gòu)件發(fā)生銹蝕甚至脫落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，需采取一定措施保證10-205 工作面運(yùn)輸順槽淋水區(qū)域的穩(wěn)定性[1-5]。

2 淋水區(qū)圍巖實(shí)驗(yàn)室測試

2.1 圍巖礦物成分測試

在10-20 工作面運(yùn)輸順槽淋水區(qū)域和非淋水區(qū)域采集煤巖樣本，用保鮮膜包裹帶回實(shí)驗(yàn)室。將兩個(gè)區(qū)域的煤巖樣本敲碎分別放入研缽中磨成200～400 目的細(xì)粉末，通過X 射線衍射儀得出兩個(gè)區(qū)域煤巖體的XRD 衍射圖譜，如圖1。圖1 中，橫坐標(biāo)為2θ（°），即X 射線的衍射角度；縱坐標(biāo)是響應(yīng)值，單位是mAU。

圖1 10-205 運(yùn)輸順槽煤巖礦物組分X 衍射圖譜

根據(jù)分析可得出以下結(jié)果：

（1）10-205 運(yùn)輸順槽圍巖中的主要成分為石英、烴類、白云石、高嶺石、白云母、黃鐵礦等，其中石英、烴類、高嶺石、白云石的成分含量較高。

（2）圍巖遇水后，高嶺石等軟巖發(fā)生膨脹變形，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低。另外，圍巖中的白云母受水化作用影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致煤巖體的內(nèi)聚力降低。

（3）由礦物成分定量分析結(jié)果可知，淋水后的煤巖樣本中方解石及斜長石的含量均不同程度的減少，而高嶺石的含量則顯著增加。這是由于礦井中含水層的水多呈酸性，方解石被酸性水溶解，而斜長石內(nèi)的陰離子則發(fā)生水化反應(yīng)生成了高嶺石。在礦井水的溶蝕作用下，煤巖體的力學(xué)強(qiáng)度大幅降低，變形量也隨之增大。

2.2 頂板水質(zhì)分析

10-205 工作面運(yùn)輸順槽的頂板淋水主要來源于上覆含水層，通過對含水層水及頂板淋水取樣測試，對比分析兩個(gè)區(qū)域水中的pH 值及離子濃度變化，驗(yàn)證礦井水與圍巖的水解溶蝕作用。

通過探測鉆孔在含水層取樣4 L，在頂板淋水處取樣4 L，并對水樣進(jìn)行化學(xué)分析，得出結(jié)果見表1。

由表1 可知，10-205 工作面運(yùn)輸順槽頂板上方含水層的水pH 值為5.49，表現(xiàn)為酸性，這是由于9+10#煤層含硫量較高，硫化礦物的氧化會導(dǎo)致礦井水pH 值變小。而頂板淋水水樣的pH 值為7.55，水樣成分中鉀離子濃度增加了47.8%，鈉離子濃度增加了11.9%，而鐵離子濃度減少了95.7%，這是由于方解石與酸性礦井水發(fā)生中和反應(yīng)，斜長石遇水溶解生成高嶺石的過程中導(dǎo)致了水分中離子溶度的變化。另外，由于鉀離子及鈉離子等陽離子的增加，氫離子的生成受到了抑制，導(dǎo)致了頂板淋水呈弱堿性。

表1 井下水樣分析結(jié)果/（mg/L）

2.3 淋水煤巖微觀結(jié)構(gòu)變化

巷道煤巖遇水后成分變得復(fù)雜，需通過掃描電鏡儀分析遇水后煤巖的微觀結(jié)構(gòu)變化特征，如圖2。

由圖2（a）、（b）可知，10 μm 微觀尺度下，非淋水煤巖的表面較粗糙，礦物質(zhì)和有機(jī)物等呈碎屑狀分布，且存在較多裂隙、孔隙，為水的流動(dòng)提供了通道；1 μm 微觀尺度下，高嶺石呈片狀分布，各礦物成分間的膠結(jié)性較差。由圖2（c）、（d）可知，10 μm 微觀尺度下，煤巖淋水后，表面礦物質(zhì)受水溶蝕作用更加破碎，經(jīng)水沖刷后，形成凹陷和孔洞；1 μm 微觀尺度下，淋水煤巖的裂隙、孔隙發(fā)育程度更高，形成大量水力通道。綜上所述可知，10-205 工作面運(yùn)輸順槽煤巖體存在較多的自生裂隙，且礦物質(zhì)間的膠結(jié)性差，在酸性礦井水的溶蝕作用下，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，裂隙等進(jìn)一步擴(kuò)張，強(qiáng)度大幅度降低。

圖2 10-205 運(yùn)輸順槽煤巖微觀結(jié)構(gòu)特征

2.4 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試

通過紗線切割機(jī)將煤巖樣制成標(biāo)準(zhǔn)試件，并分為兩組，一組進(jìn)行干燥處理，烘干水分，另一組用井下含水層水樣浸泡至飽水狀態(tài)。采用伺服機(jī)等設(shè)備對干燥及飽水兩組煤巖樣本的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，測試結(jié)果見表2。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果

由表2 可知，飽水后的煤巖體力學(xué)強(qiáng)度明顯降低，不利于巷道圍巖的控制。

3 富水頂板穩(wěn)定性控制方案

3.1 淋水段圍巖失穩(wěn)機(jī)理

通過上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，10-205 工作面運(yùn)輸順槽的圍巖成分多為方解石、白云母、高嶺石等黏土礦物，屬于較軟弱圍巖，在酸性礦井水的溶蝕作用下，圍巖孔裂隙發(fā)育，強(qiáng)度降低。隨著巷道掘進(jìn)，在應(yīng)力作用下，圍巖孔裂隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)張，為水流提供了更多的通道，導(dǎo)致圍巖破壞形成惡性循壞，變形量持續(xù)增大。

3.2 圍巖控制方案

（1）針對順槽頂板淋水來源，有針對性地進(jìn)行探放水，采用物探、鉆探等方法在掘進(jìn)前對頂板上方含水層的水量及水壓等進(jìn)行探測，做到有掘必探。另外，錨索采用防水型錨固劑進(jìn)行全長錨固，并用泥漿封孔，淋水段巷道表面進(jìn)行噴漿處理，對頂?shù)装迤扑閰^(qū)域進(jìn)行注漿加固，降低水的流動(dòng)性，保證圍巖及錨固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

（2）根據(jù)淋水段巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，綜合考慮支護(hù)強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)效益，對10-205 工作面運(yùn)輸順

槽的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。在非淋水段巷道支護(hù)布置方式的基礎(chǔ)上，采用Φ20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿代替原支護(hù)中的頂錨桿，間距為1000 mm，排距為1000 mm；主幫錨桿改用Φ20 mm×2000 mm的高強(qiáng)度玻璃鋼錨桿支護(hù)；副幫螺紋鋼錨桿的規(guī)格改為Φ20 mm×2000 mm，數(shù)量增加至4 根，間距850 mm，排距1000 mm。具體支護(hù)方案如圖3。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

4 支護(hù)效果分析

為分析評價(jià)圍巖控制方案的效果，采用十字布點(diǎn)法對淋水段巷道圍巖的變形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4。

由圖4 可知，巷道掘進(jìn)通過頂板富水區(qū)初期，圍巖變形幅度較大，后逐漸趨于平穩(wěn)，頂?shù)装遄畲笠平考s為50 mm，兩幫最大移近量約為40 mm，圍巖變形量較小。說明該方案有效提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性，滿足礦井安全生產(chǎn)要求。

圖4 掘進(jìn)期圍巖移近量變化曲線

5 結(jié)論

（1）通過礦物成分及水樣成分測定、微觀結(jié)構(gòu)掃描分析以及圍巖物理力學(xué)強(qiáng)度測試，得出了10-205 工作面運(yùn)輸順槽淋水段圍巖變形失穩(wěn)的主要原因，即富含黏土礦物的煤巖體與酸性礦井水發(fā)生水化反應(yīng)，造成圍巖強(qiáng)度降低，在采動(dòng)應(yīng)力作用下進(jìn)一步變形破壞。

（2）結(jié)合淋水巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，提出“防治水為主，兼顧補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的圍巖控制對策，優(yōu)化支護(hù)方案并應(yīng)用于現(xiàn)場。

（3）采用該方案后，巷道通過淋水區(qū)域時(shí)，頂?shù)装遄畲笠平考s為50 mm，兩幫最大移近量約為40 mm，圍巖變形量較小，保證了井下安全高效生產(chǎn)。