古城煤礦淋水頂板動(dòng)壓巷道圍巖變形特征與支護(hù)技術(shù)研究

王強(qiáng)

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司 古城煤礦,山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引 言

近年來(lái)，礦井巷道掘進(jìn)日益增加，受動(dòng)壓影響巷道控制越發(fā)困難1-3]，尤其對(duì)于受巷道頂板淋水影響，巷道圍巖變形嚴(yán)重[4-6]，亟需尋找一種淋水頂板動(dòng)壓巷道的圍巖控制技術(shù)，解決頂板淋水造成巷道失穩(wěn)的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)學(xué)者在含水圍巖巷道做了大量研究。趙永峰[7]為解決淋水巷道冒頂問(wèn)題，分析了巷道掘進(jìn)前期無(wú)淋水與后期淋水的圍巖變形特征，采用注漿加固+架棚的支護(hù)方式，減小巷道的變形；盧恒等[8]通過(guò)多種方法結(jié)合，得到頂板淋水對(duì)巷道塑性破壞加劇，降低錨桿索的錨固力，采用防水錨固劑有效控制錨桿索的失效問(wèn)題；王俊萍等[9]利用實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)含水巖層的化學(xué)成分，分析了水巖之間的相互作用，得到開(kāi)采擾動(dòng)影響裂隙水的流動(dòng)，但是水質(zhì)的影響較??；鄭凱凱等[10]對(duì)破碎頂板巷道多地點(diǎn)淋水問(wèn)題，提出了封堵漏水和注漿加固的控制方案，成功解決頂板淋水大的問(wèn)題，有效控制圍巖穩(wěn)定性。綜上所述，大部分頂板淋水巷道多采用加固注漿的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而對(duì)于巷道的支護(hù)整體性以及提高支護(hù)錨固力方面研究較少，因此需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 概 況

古城礦S1306 工作面布置如圖1 所示。S1306工作面南接S1308 工作面，周?chē)鸁o(wú)其他工作面。工作面埋深612.11 ～649.23 m，主采3 號(hào)煤層，煤層厚度為3.35 ～9.65 m，平均6.05 m；煤層平均傾角為+5°～+8°，屬于近水平煤層；S1306 輔助進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)布置如圖2 所示。S1306 輔助進(jìn)風(fēng)順槽為矩形斷面，掘?qū)? 000 mm，掘高3 500 mm，整體支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索的控制形式。頂板支護(hù)錨桿φ22 mm，長(zhǎng)度為2 400 mm，間排距900 mm×1 000 mm；幫部間排距950 mm×1 000 mm；錨索采用φ22 mm×6 300 mm，3-3-3 布置方式，間排距為1 400 mm×1 000 mm，全部垂直安裝。3 號(hào)煤層頂板受到砂巖水的影響，S1306 輔助進(jìn)風(fēng)順槽受頂板淋水影響支護(hù)強(qiáng)度和剛度偏低，導(dǎo)致巷道頂角錨桿出現(xiàn)繃斷和局部錨索剪斷的現(xiàn)象，因此應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際適當(dāng)提高巷道關(guān)鍵部位支護(hù)強(qiáng)度和剛度，并合理優(yōu)化支護(hù)方案。

圖1 S1306 工作面采掘平面布置Fig.1 Layout of No.S1306 Face

圖2 S1306 輔助運(yùn)輸順槽原支護(hù)布置Fig.2 The original support layout of No.S1306 auxiliary transportation crossheading

2 淋水頂板巷道圍巖變形規(guī)律分析

淋水頂板巷道圍巖應(yīng)力與變形規(guī)律和巷道圍巖的含水率密切相關(guān)，因此，需要對(duì)不同巷道圍巖含水率條件下，巷道圍巖應(yīng)力與變形規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 模型建立

根據(jù)古城煤礦工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D 有限元模擬，考慮邊界影響效應(yīng)，模型尺寸為50 m×5 m×37 m，模型劃分189 254 節(jié)點(diǎn)和175 000 個(gè)單元，如圖3 所示。模型為摩爾庫(kù)倫，沿頂掘巷，支護(hù)方式為錨桿（索） 支護(hù)；上覆巖層等效面力大小為10.75 MPa。巷道埋深430 m，在原支護(hù)基礎(chǔ)上，研究巷道圍巖含水率為0、0.5%、1%、1.5%、2%、4%、6%時(shí)，其塑性區(qū)和圍巖變形規(guī)律。

圖3 數(shù)值模型圖Fig.3 Numerical model diagram

2.2 模擬結(jié)果分析

圖4 為不同含水率巷道的圍巖礦壓變化曲線。模擬結(jié)果表明，巷道圍巖塑性區(qū)隨含水率的增加，塑性區(qū)體積隨之變大；最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力隨含水率增加而降低；巷道變形隨巷道圍巖含水率增大隨之變大，兩幫和底板的變化幅度遠(yuǎn)大于頂板。

圖4 不同含水率巷道圍巖應(yīng)力與變形規(guī)律曲線Fig.4 Curves of stress and deformation lawof roadway surrounding rock with different water content

由巷道的礦壓變化曲線綜合分析得出，巷道礦壓隨著含水率變化存在拐點(diǎn)，即當(dāng)含水率＜1.5%時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力變小的速度緩慢，巷道圍巖變形的增大速度亦是；當(dāng)含水率＞1.5%時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力變小的速度加劇，巷道圍巖變形的增大速度亦是。

3 淋水頂板動(dòng)壓巷道控制技術(shù)與方案

3.1 支護(hù)原則

結(jié)合S1306 輔助運(yùn)輸順槽現(xiàn)場(chǎng)條件，按照淋水頂板動(dòng)壓巷道整體支護(hù)原則，在分級(jí)支護(hù)形成頂板多層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)層，整體控制巷道頂板的同時(shí)，桁架支護(hù)增加錨索的錨固力，使用防水錨固劑和防銹蝕錨桿索，減少錨桿索的銹蝕破斷，長(zhǎng)短錨索結(jié)合分級(jí)支護(hù)頂板預(yù)應(yīng)力分布如圖5 所示，可以看出單獨(dú)短錨索或者長(zhǎng)錨索的預(yù)應(yīng)力范圍遠(yuǎn)小于長(zhǎng)短錨索結(jié)合的預(yù)應(yīng)力范圍。

圖5 長(zhǎng)短錨索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.5 Prestress field distribution of long and short anchor cable

3.2 整體支護(hù)優(yōu)化方案

結(jié)合淋水頂板巷道整體支護(hù)原理，優(yōu)化支護(hù)方案如圖6 所示，頂板支護(hù)：一級(jí)支護(hù)為錨桿，采用MSGLW500/φ22 mm×2 400 mm，間排距為900 mm×1 000 mm；二級(jí)支護(hù)為短錨索支護(hù)，三級(jí)支護(hù)為長(zhǎng)錨索；長(zhǎng)短錨索分別采用φ22 mm×7 300（4 300） mm，錨索采用小五花布置，排距為1 000 mm，長(zhǎng)錨索每排3 根，間距為1 400 mm，短錨索每排2 根，間距為1 800 mm，短錨索外斜15°，形成桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)錨索垂直打設(shè)，并采用鋼帶連接。幫部支護(hù)：錨桿間排距為950 mm×1 000 mm，除幫角以及底角錨桿外斜10°

圖6 S1306 輔助運(yùn)輸順槽支護(hù)優(yōu)化方案Fig.6 Support optimization scheme of No.S1306 auxiliary transportation crossheading

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

結(jié)合淋水頂板動(dòng)壓巷道整體支護(hù)方案，將優(yōu)化支護(hù)方案應(yīng)用于S1306 輔助運(yùn)輸順槽，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)50 d 的圍巖監(jiān)測(cè)，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在141 mm 不變，主要表現(xiàn)在底鼓方面，兩幫移近量保持在166 mm 不變，巷道優(yōu)化支護(hù)方案效果顯著。

圖7 圍巖變形曲線Fig.7 Deformation curve of surrounding rock

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)不同含水率巷道圍巖應(yīng)力與變形規(guī)律，得出巷道礦壓與巷道圍巖含水率存在的拐點(diǎn)為1.5%。

（2） 提出淋水頂板動(dòng)壓巷道整體經(jīng)濟(jì)支護(hù)原理，分析分級(jí)支護(hù)作用效果，給出優(yōu)化支護(hù)方案，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，最終效果明顯。