黑龍煤礦淋水軟巖巷道底鼓控制技術(shù)研究

王少偉

（潞安化工蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

1 工程概況

1.1 工作面概況

黑龍煤礦2202 運輸順槽所掘9+10+11 號煤，賦存于石炭系太原組地層下段上部，在本工作面范圍內(nèi)，煤層厚度穩(wěn)定，9 號煤與10+11 號煤之間有一層夾矸較厚為1.6～1.8 m，平均1.7 m。根據(jù)鉆孔ZK605 分析，該工作面夾矸厚度2.5 m，局部區(qū)域10 號與11 號煤之間有一層0.3 m 的夾矸。9 號煤平均厚度0.7 m，10+11 號煤平均厚度4.9 m。根據(jù)鉆孔ZK605 和相鄰已掘巷道分析該工作面煤層厚度約5.4 m。煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

2202 運輸順槽作為2202 采面的運輸系統(tǒng)，正巷道方位角34°，巷道坡度沿11#煤層底板掘進。北邊為礦界，南邊為已掘+1023 m 水平軌道大巷、+1023 m 水平運輸大巷，西面為實體煤，東邊為設(shè)計的2202 回風順槽。2202 運輸順槽設(shè)計長度647 m，設(shè)計斷面為矩形，寬5 m，高3 m。

1.2 水文地質(zhì)條件

2202 運輸順槽巷道在掘進過程中，9+10+11 號煤層上部為太原組K2、K3、K4 灰?guī)r含水層，富水性屬弱～中等富水性含水層，遇地質(zhì)構(gòu)造影響，可能存在裂隙導水；巷道上方存在2 號煤層采空區(qū)，根據(jù)相鄰巷道涌水量變化分析涌水量約3～10 m3/h，最大涌水量30 m3/h。巷道通過富水異常區(qū)時頂板易淋水，導致軟巖底板發(fā)生較嚴重的變形破壞。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造情況

根據(jù)地面三維地震和勘探資料及相鄰+1023 m水平軌道大巷、運輸大巷、2201 工作面掘進揭露煤巖層情況解釋，2202 運輸順槽掘進方向附近存在DF5 斷層，對圍巖穩(wěn)定性有一定影響。

2 巷道底鼓機理分析

2.1 數(shù)值模型建立

基于2202 運輸順槽的實際地質(zhì)條件，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件建立模型，模型高50 m，寬70 m。在模型頂部施加一定的均布載荷模擬上覆巖層重力，模型兩側(cè)及底部約束位移，巷道開挖斷面為寬×高=5.0 m×3.0 m。模擬中各巖層的物理力學參數(shù)按表2 賦予。

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

1）巷道圍巖位移分析

模擬時，設(shè)置巷道圍巖應力釋放系數(shù)β為0 到1，間隔增長值為0.2，來模擬巷道開挖的過程。當β到1 時，表示圍巖已處于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道開挖過程中圍巖的位移情況如圖1，圖1 中測點P1、P2、P3、P4 分別監(jiān)測巷道的頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量及右?guī)鸵平俊?/p>

圖1 巷道圍巖位移情況

由圖1 可知，巷道開挖初期，圍巖變形量快速上升，尤其是巷道兩幫的變形增速較快，其次為底板及頂板；當應力釋放系數(shù)超過0.4 后，圍巖的變形轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘坠臑橹?，底板的變形增速超過了巷幫；當應力釋放系數(shù)達到1.0 時，即圍巖穩(wěn)定后，P2 測點即底板的變形量最大為0.43 m，其次為P3、P4測點（巷道兩幫），變形量分別為0.30 m 及0.28 m，P1 測點（頂板）的變形量最小為0.11 m。

提取巷道底板9 m 范圍內(nèi)的位移量進行分析，由圖2 可以看出，底板巖層的位移量隨著深度的增加快速減小。當深度到3 m 后，巖層的位移逐漸趨于穩(wěn)定，不再隨著深度的增加而有明顯的降低趨勢。因此，可以判定巷道底板的破壞深度已達到了3.0 m，在頂板淋水的影響下，底板破壞深度還會進一步的增加。

圖2 底板位移隨深度的變化

2）巷道圍巖破壞模式分析

圖3 為巷道開挖后圍巖裂隙的分布特征。由圖3 可知，巷道開挖后圍巖的破壞模式以拉伸破壞和剪切破壞為主，其中拉伸破壞主要集中在底板圍巖淺部，剪切破壞集中在底板圍巖深部；巷道兩幫也存在一定深度的拉伸破壞及剪切破壞，而頂板的裂隙分布較少。

圖3 巷道圍巖裂隙分布特征

3 圍巖控制技術(shù)[1-4]

3.1 新型防水錨固劑

在頂板淋水的影響下，普通錨固劑的錨固力僅能達到無淋水條件下的40%左右，不能充分發(fā)揮錨桿（索）的支護性能，因此考慮采用新型防水錨固劑進行支護。

在井下對傳統(tǒng)樹脂錨固劑及新型防水錨固劑的錨固性能進行了對比測試，采用Φ20 mm 的螺紋鋼錨桿，錨固長度均為600 mm。結(jié)果表明：在頂板淋水的條件下，樹脂錨固劑的錨固力僅為72.3 kN，而新型防水錨固劑的錨固力達到了197.5 kN。采用防水錨固劑可有效避免水對頂板、兩幫支護結(jié)構(gòu)的影響，并解決了底板積水對錨索錨固性能的影響。

3.2 圍巖支護方案

1）頂板支護

頂板支護每排均采用Ф20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿6 根，間排距為900 mm×1000 mm，網(wǎng)片采用10#鉛絲網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，每根錨桿采用2 支新型防水錨固劑；錨索采用Ф18.9 mm×6300 mm 的鋼絞線，錨索間排距2000 mm×2000 mm，采用2-0-2 矩形布置，每根錨索采用1 支Z2360 和2 支防水錨固劑進行錨固，保證其錨固力不低于150 kN，錨索托盤采用16 mm 厚300 mm×300 mm 的鋼板。

2）兩幫支護

巷道左幫支護采用Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，網(wǎng)片采用10#鉛絲網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm；右?guī)椭ёo采用Ф20 mm×2000 mm玻璃鋼錨桿，網(wǎng)片采用尼龍網(wǎng)。兩幫錨桿間排距均為1200 mm×1000 mm，每排6 根錨桿，每根錨桿采用2 支新型防水錨固劑錨固。

3）底板支護

在巷道淋水區(qū)域，底板采用注漿防腐錨索進行支護。注漿錨索的鉆孔直徑為50 mm，錨索直徑為21.6 mm，長度為6300 mm，間距為1500 mm，排距為2000 mm。每根錨索先采用2 支防水錨固劑進行端部錨固，然后安裝鉛絲網(wǎng)及Φ14 mm 的單筋梯子梁，并張拉至150 kN，隨后采用水泥漿及水玻璃的混合漿液進行全長錨固。

4 應用效果分析

為分析評價圍巖控制方案的效果，采用十字布點法對淋水段巷道圍巖的變形進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖4。由圖4 可知，巷道掘進通過頂板富水異常區(qū)初期，監(jiān)測點的圍巖變形速度較快，并于65 d 后趨于平穩(wěn)。其中，頂板最大下沉量約為16 mm，底鼓量最大為24 mm，兩幫最大移近量約為33 mm，圍巖變形量均在允許變形范圍內(nèi)，說明該方案取得了良好的圍巖控制效果，保證了巷道的安全高效掘進。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬分析了2202 運輸順槽的圍巖位移及破壞形式，得出其底板最大破壞深度達到了3.0 m，且拉伸破壞主要集中在底板圍巖淺部，剪切破壞集中在底板圍巖深部。

2）根據(jù)現(xiàn)場實際情況及數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出采用新型防水錨固劑進行錨桿索的錨固，并設(shè)計了頂板、兩幫及底板的支護方案。

3）井下應用結(jié)果表明：巷道掘進通過頂板富水異常區(qū)時，頂板最大下沉量約為16 mm，底鼓量最大為24 mm，兩幫最大移近量約為33 mm，圍巖變形量較小，有效解決了淋水軟巖底板的控制難題。