錦源煤礦頂板淋水巷道圍巖變形規(guī)律及控制技術(shù)研究

王瑞超 李常厚

（山西臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁 033000）

礦井水害嚴(yán)重制約煤礦的安全高產(chǎn)高效，因頂板淋水造成的頂板災(zāi)害事故較為常見。淋水巷道的頂板往往較為軟弱，易于破碎，導(dǎo)致巷道巖石軟化、結(jié)構(gòu)強度降低，引起頂板下沉嚴(yán)重，并且在水的作用下支護系統(tǒng)易于失效，錨桿索受到腐蝕而失去作用[1-5]。本文基于錦源煤礦+302 m 水平南翼輔助運輸巷頂板淋水現(xiàn)象，對頂板淋水條件下巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出巷道防治水措施，并優(yōu)化支護措施。

1 工程概況

+302 m 水平南翼輔助運輸巷凈寬5.6 m，凈高5.84 m，凈斷面積26.3 m2。巷道掘進(jìn)主要受二疊系山西組底部K3 砂巖含水層、石炭系太原組L5、L4 灰?guī)r含水層影響。受以上含水層影響，掘進(jìn)過程中，局部頂板出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象。正常涌水量5 m3/h，最大涌水量15 m3/h。各含水巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 各含水巖層物理力學(xué)性質(zhì) MPa

2 淋水破裂巷道頂板圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 無淋水條件下巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)計算

本文運用彈性力學(xué)方法，按平面應(yīng)變問題計算巷道開挖后的應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍[7]。假設(shè)巷道為深埋圓形平巷，無限長度；巷道斷面內(nèi)水平和豎直方向的原巖應(yīng)力相等，圍巖為理想的彈塑性體；巷道埋深大于20 倍的原巖應(yīng)力。由平衡微分方程得到：

式中：σr為圍巖徑向應(yīng)力，MPa；σθ為圍巖切向應(yīng)力，MPa；r為極限平衡區(qū)內(nèi)任意點半徑，m。

由莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則得到：

式中：φ為巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；c為巖石的內(nèi)聚力，MPa。

考慮塑性區(qū)邊界處的支護反力，得到邊界條件為：

式中：Rd為塑性區(qū)半徑，m；P0為支護阻力，MPa；P為原巖應(yīng)力，P=γH，MPa。

將公式（2）、（3）代入（1）求解得到塑性區(qū)巷道兩側(cè)的切向應(yīng)力及徑向應(yīng)力為：

IWRAP MKⅡ軟件默認(rèn)在原油油船、成品油油船、化學(xué)品船、天然氣船、集裝箱船、雜貨船、散貨船、滾裝船、客船、快速渡船、支持船、漁船、油船、其他船對這14種船型進(jìn)行區(qū)分，每種船型按25 m間隔分為若干個長度類別，分別為0～25 m，25～50 m，…，400 m及以上。此次計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為集裝箱船舶數(shù)據(jù)，填入集裝箱船的交通流量分布即可。

式中：R0為巷道半徑，m。

塑性區(qū)半徑為：

彈性區(qū)應(yīng)力為：

假設(shè)塑性區(qū)體積不變，得到巷道周邊圍巖公式：

式中：v為巖石泊松比；E為巖石彈性模量，GPa。

圖1 雙向等壓圓形巷道圍巖塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

2.2 淋水條件下巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)計算

為了分析含水巷道圍巖彈塑性分布狀態(tài)，需要增加以下假設(shè)：（1）遠(yuǎn)場靜水壓力在同一半徑上大小相等；（2）地下水的徑向流動符合達(dá)西滲流定律。圖2 為巷道圍巖滲水壓力示意圖。

圖2 巷道圍巖滲水壓力示意圖

根據(jù)滲流理論，巷道滲透水壓力場Pw分布律[2]為：

式中：Rd為外水影響半徑，m；Pd為原始滲透水壓力，MPa。

假設(shè)含水巖層為兩相介質(zhì)體，于是由平衡微分方程[8]得：

式中：α為有效水壓力系數(shù)，它與巖石的孔隙率有關(guān)，不透水時α=0，全透水時α=1。

由摩爾庫倫準(zhǔn)則得到：

同無淋水條件下的邊界條件，得到淋水條件下塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力為：

假設(shè)圍巖塑性區(qū)與彈性區(qū)交界面上的徑向應(yīng)力為σp，則彈性區(qū)應(yīng)力表達(dá)式為：

由此得到淋水條件下的塑性區(qū)半徑：

塑性區(qū)位移為：

2.3 水對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

利用Mathcad 較強的公式計算能力，研究巷道水的滲流作用下的圍巖變形影響規(guī)律。計算中：c=2 MPa，φ=30 °，E=9.64 GPa，R=2.8 m，P=10 MPa。① 取Pd=1.0 MPa，α=0.3，考慮不同支護強度下巷道塑性區(qū)隨外水影響半徑Rd變化規(guī)律，結(jié)果如圖3。由圖可知，在不同支護強度下，外水影響半徑越大，塑性區(qū)的范圍越小。這是由于外水影響半徑越大，原始滲透水壓力峰值離巷道越遠(yuǎn)，巷道圍巖受水滲流作用影響越小，圍巖因水作用強度降低，塑性破壞范圍減小。且不同支護強度下，其作用規(guī)律相同。② 取Pd=1.0 MPa，Rd=20 m，考慮不同支護強度下巷道塑性區(qū)隨有效水壓力系數(shù)α的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4。由圖可知，在不同支護強度下，巷道圍巖塑性區(qū)與有效水壓力系數(shù)近似成正比。有效水壓力系數(shù)越接近1，巷道圍巖塑性區(qū)范圍越大。這是由于有效水壓力系數(shù)越大，巖石的孔隙率越大，巖石的透水能力越強，因此導(dǎo)致巖石受水的軟化作用越強，巖石強度越低，塑性破壞范圍增大。③ 取α=0.3，Rd=20 m，考慮不同支護強度下巷道塑性區(qū)隨原始滲透水壓力Pd的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5。由圖可知，在不同支護強度下，巷道圍巖塑性區(qū)隨著滲透水壓力的增大而增大。滲透水壓力指的是在滲流方向上水對單位體積土的壓力。該壓力越大，水的滲透作用越大，巖石破壞程度越大。綜上，說明頂板淋水巷道，圍巖強度低，穩(wěn)定性差，塑性破壞嚴(yán)重。

圖3 外水影響半徑對巷道圍巖塑性區(qū)的影響曲線

圖4 有效水壓力系數(shù)對巷道圍巖塑性區(qū)的影響曲線

圖5 滲透水壓力與巷道圍巖塑性區(qū)的影響曲線

3 頂板淋水巷道支護技術(shù)

頂板淋水巷道頂板需要增大錨索，將淺部破碎圍巖懸吊在深部穩(wěn)定巖層內(nèi)，同時增大錨桿預(yù)緊力，擴大支護應(yīng)力場的作用范圍；采用錨網(wǎng)索耦合支護，使圍巖支護系統(tǒng)形成一個協(xié)調(diào)變形的整體；再對巷道表面噴射混凝土，封閉圍巖，隔離水及空氣的作用。具體的支護參數(shù)如下：

（1）臨時支護。使用三根前探梁，前探梁采用3 寸厚壁鋼管制作，長度4 m，間隔400 mm。吊環(huán)采用6 寸厚壁鋼管制作，長度80 mm，上焊接與錨桿配套的高強螺帽，并焊接牢固。迎頭前探梁用方木背實接頂，并用木楔加緊。接頂背板方木規(guī)格為：長×寬×厚=2000 mm×150 mm×40 mm。臨時支護如圖6。

圖6 臨時支護圖（mm）

（2）永久支護。采用Φ22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，單根錨固力不小于80 kN。托盤選用Q235 型鋼，規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm，間排距800 mm×800 mm。每根錨桿使用1 支MSK2535樹脂錨固劑和2 支MSZ2535 樹脂錨固劑固定。網(wǎng)片規(guī)格為1 m×2 m，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每隔200 mm 用雙股14#鐵絲綁扎。錨索型號Φ17.8 mm×8000 mm，托盤采用Q235 鋼，規(guī)格280 mm×280 mm×20 mm。錨索三排布置，中部及兩側(cè)各一排，間排距1200 mm×2400 mm。每根錨索使用1 支MSK2535 樹脂錨固劑和4 支MSZ2535 樹脂錨固劑固定，單根錨索預(yù)拉力不小于150 kN。噴射混凝土強度等級為C25，噴厚120 mm。鋪底混凝土不低于C20。永久支護如圖7。

圖7 永久支護圖（mm）

4 結(jié)論

（1）通過彈塑性理論計算的方法分析了有無支護條件下水的滲流作用對巷道圍巖塑性區(qū)、位移的影響。結(jié)果顯示：巷道圍巖塑性區(qū)巖體的黏聚力、摩擦角、支護強度及原巖應(yīng)力等相關(guān)，而且其大小與外水影響半徑成反比，和滲透水壓力、有效水壓力系數(shù)成正比。

（2）提出了頂板淋水巷道臨時支護方案及錨網(wǎng)索耦合支護+噴漿的永久支護方案。