厚層泥巖淋水頂板煤巷支護技術研究

摘要：為解決2609區段運輸平巷厚層泥巖淋水頂板巷道的支護難題，本文分析了巷道頂板淋水對巷道圍巖的軟化以及對錨固結構的弱化機理。通過采用頂板布置卸水孔集中排水技術減少了水對圍巖和支護的弱化，高預緊力錨網索支護技術實現對圍巖的主動支護，形成了合理的錨網索支護參數，并成功的進行了現場支護實踐。

關鍵詞：淋水頂板 軟弱泥巖 巷道支護 錨固結構 弱化作用

0 引言

隨著我國煤礦開采范圍的擴大化，地質條件的復雜化，很多巷道在不同程度上受到地下水影響。現有的工程實踐表明，小規模的巷道淋水也會對巷道圍巖造成很大損傷，給巷道的維護帶來巨大的困難。巷道淋水對巷道圍巖支護的影響主要體現在兩方面：

一是淋水對巷道圍巖的弱化作用，表現為圍巖強度的降低和承載結構的破壞；

二是水還會造成錨固結構的弱化，表現為水對錨桿（索）結構及其附件的銹蝕，降低其承載能力，同時巷道圍巖遇水后發生的膨脹變形會對支護結構造成額外的載荷，從而給巷道前期的掘進與后期的維護帶來諸多不利因素。

1 工程概況

2609區段運輸平巷是2609工作面的皮帶巷，2609工作面位于26皮帶下山以南，開采煤層為二2煤，煤層平均厚度為2.5m，平均傾角為7°。煤層結構簡單，煤層賦存條件較穩定。2609回采工作面地質條件較復雜，工作面煤層整體上為復式褶曲構造，在工作面外部呈向斜構造，在里段為一寬緩背斜。2609區段回風平巷外段及里段揭露一較大的火成巖侵蝕區，煤層可能被侵蝕或蝕變為天然焦。根據地質報告，2609區段運輸平巷的主要充水源為煤層頂底板砂巖裂隙水、相鄰的2607工作面老空水和底板太灰水。巷道頂底板巖性見表1。

表1 頂底板巖層巖性描述

■

2 水作用下圍巖強度弱化機制

水對巖石的弱化作用導致巖體變形、破壞等宏觀上的表現特征，而這種宏觀上的變化與其內部微結構的改變密切相關，特別是巖石礦物組分中含粘土礦物和其內部裂隙孔隙發育時，這種弱化現象更加明顯。

水對于圍巖強度的弱化效應，主要是通過兩個作用來實現的：

第一個作用是對巖層內部弱面和礦物成分的物理與化學作用。物理作用是指，由于在煤巖體中存在不連續面，如裂隙面和節理面等，巷道開挖之后，地下水的流動將會對不連續面產生潤滑作用，同時，水還會對巖體結構面內的充填物產生軟化作用。化學作用是指，地下水在滲入到巖體的礦物結晶骨架后，通過水解作用改變礦物成分與形態，從而降低巖體內聚力，在淋水與風干雙重作用的共同影響下，將會造成淺部圍巖強度降低，裂隙增大，隨著影響時間的增加，圍巖的破壞也會從淺部向深部緩慢發展。

第二個作用是靜水壓的有效應力作用和動水壓的沖刷作用，即水對圍巖的力學作用，通過圍巖內部存在的裂隙來實現。在裂隙的法向方向上，靜水壓作用可導致裂隙的擴容變形；在裂隙的切向方向上，動水壓作用可降低煤巖的抗切強度。

水對圍巖強度的弱化性質可以用軟化性來描述。軟化性是指巖石浸水后強度降低的性質，通常使用軟化系數來表示水作用的影響程度，即水飽和巖石試件單軸抗壓強度與干燥巖石抗壓強度之比。

η0=■？燮1（1）

其中 η0——巖石軟化系數；

Rcw——水飽和巖石試件單軸抗壓強度，MPa；

Rc——干燥巖石試件單軸抗壓強度，MPa。

巖石浸水后的軟化程度，與巖石的成分，裂隙發育程度，水化學成分及浸水時間有關。巖石的軟化系數越小，表示巖石強度受水影響越小。巖石普遍具有軟化性，對于強度低的巖石，軟化系數變化幅度非常大。研究巖石的軟化性對于淋水頂板的巷道支護具有重要意義。煤礦常見巖石軟化系數如表2。

表2 煤礦常見巖石軟化系數

■

3 水對巷道錨固結構的弱化

巷道開挖后，開挖擾動的影響會在頂板巖層中形成和擴展各種裂隙，頂板水則會通過這些裂隙延伸到巷道內，出現頂板淋水現象；對于采用錨桿索支護的巷道，在進行錨索支護過程中，頂板水則會沿著錨索孔外泄，影響錨固劑的支護效果，并進一步影響整個巷道錨固結構的支護效果。頂板淋水對錨網索支護的巷道其錨固結構的弱化作用可體現在兩個方面：

3.1 淋水會降低錨桿索的錨固力

錨桿索安裝之后，由于圍巖中動態水的流動，使安裝錨桿錨索的樹脂錨固劑遇水后發生反應，會導致錨固劑凝結性降低，進而導致錨桿索的粘結力降低；在水沖潰錨固劑方面，由于水可減慢固化劑反應速度，因此容易造成錨固劑被沖失，改變錨桿索錨固點位置，造成實際錨固長度減小。研究表明，在錨固力影響方面，水可降低錨固劑的粘結強度約7%，在鉆孔水量小于1000的情況下，水造成錨固長度減小約為10%。

3.2 淋水對錨固支護構件的銹蝕

淋水會對巷道圍巖中的支護材料，如錨桿索體、托盤和鋼筋網等金屬構件造成銹蝕作用，在一定程度上降低了支護材料本身的力學性能，導致支護系統可靠性下降。錨網索支護技術通過施加高預緊力改變圍巖的應力狀態，提高圍巖的強度，支護結構的銹蝕破壞，性能降低，導致通過錨桿索施加給圍巖的預緊力降低，從而影響錨固結構的支護效果。

總之，巷道淋水對樹錨桿索支護系統有較大影響，在實際的巷道錨固支護設計過程中，必須考慮水的影響，并采取措施降低其不利影響，以確保錨固支護的安全性和可靠性。

4 工程應用

2609區段運輸平巷為斜頂矩形巷道，巷道掘寬4.6m，凈寬4.3m，中高要求凈高不低于2.5m。巷道沿二2煤層頂板掘進，煤層厚度平均2.5m，傾角平均7°。

4.1 支護思路

2609區段運輸平巷支護思路：

①巷道軸向布置卸水孔集中排，由于巷道涌水量不大，通過沿巷道軸向布置卸水孔來降低或者消除鉆孔附近的涌水量；endprint

②高預緊力錨網索實現對圍巖的主動支護，設計合理的支護參數，采用加長錨固，并通過施加高預緊力提高支護系統的可靠性。

4.2 具體支護參數

4.2.1 頂板錨桿參數

巷道頂板采用7根Φ22×2800mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿加4.5m長M5型鋼帶、礦用鋼筋網聯合支護，托盤為專用配套的M10型鋼托盤，錨桿間距700mm，排距700mm。每根錨桿使用2卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑。錨桿安裝時施加的預緊力要求不小于60kN，錨固力不小于200kN。

4.2.2 頂板錨索參數

頂板沿巷道的走向方向依次布置錨索梁和單體錨索，形成“二三交替布置”。“二”為一梁二索，錨索為Φ18.9×6300mm鋼絞線。鋼梁采用礦用16號槽鋼梁，長度2.2m，兩個眼孔距離為1.6m，且錨索需加讓壓管。“三”為三根單體讓壓錨索，錨索為Φ18.9×8300mm鋼絞線，托盤尺寸為400×400×12mm+200×200×10mm的雙托盤。每根錨索使用4卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑，錨索安裝時預緊力要求不低于80kN，錨固力不低于250kN。

4.2.3 幫部錨桿參數

巷道幫部采用4根Φ22×2800mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿加2.8m長M5型鋼帶、礦用鋼筋網聯合支護，錨桿間距為800mm，排距均為700mm。每根錨桿使用2卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑。幫錨桿預緊力和錨固力要求同頂錨桿。在巷道煤層傾角變大的區域，鋼帶下端距離底板超過200mm時，在鋼帶下端空幫位置補打一根單體錨桿，并沿巷道走向鋪設幫部鋼帶。

4.2.4 幫部錨索參數

沿巷道走向在兩幫中部布置一套錨索梁，一梁二索，錨索為Φ18.9×6300mm鋼絞線。鋼梁規格為礦用16號槽鋼梁，長度2.2m，兩個眼孔距離為1.8m，且需加讓壓管，在槽鋼梁的槽內加一厚度不小于10mm的平墊鋼板為錨索托盤。每根鋼絞線使用4卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑，幫錨索預緊力和錨固力要求同頂錨索。

4.2.5 布置卸水孔

巷道為厚層泥巖淋水頂板，靠頂板最低端的單體讓壓錨索孔打好以后先不安裝錨索，作為出水孔導排頂板水，待頂板水變小后再安裝單體錨索。

4.2.6 特殊地段支護

對斷層帶等圍巖破碎區域，采用錨桿支護+鋼棚支護的聯合支護方式，并盡可能的先用錨桿錨索等主動支護錨固圍巖，再采用鋼棚支護并塞緊背實鋼棚與頂幫之間的空隙，具體方案及參數可根據現場實際進行針對性研究和設計。

巷道支護示意圖如圖1所示。

4.3 支護效果

2609區段運輸平巷礦壓觀測的結果表明：巷道掘進期間，頂板圍巖活動比較穩定，沒有發生明顯的變形下沉，測站1和3處觀測到頂板下沉約為11mm。巷道兩幫最大變形量達到82mm，左幫最大變形量達到40mm，巷道幫部變形主要是由右幫變形引起。測站2處觀測數據顯示左幫變形量較大，現場觀測也發現在左幫有數根錨桿被拉斷，說明測站2附近區域巷道左幫礦壓顯現比較明顯。由于巷道進行了多次拉底，底臌量無法進行測量。2609區段運輸平巷在掘進期間，基本沒有出現頂板離層，測站1和2處觀測到離層量為0，測站3處巷道頂板離層觀測記錄顯示，前12天未發生頂板離層，12天后開始出現離層，為錨桿錨固范圍外離層，最大離層量為7mm。巷道支護整體效果見圖2。

5 結論

①針對厚層泥巖淋水頂板巷道圍巖穩定性控制難題，研究了頂板水對巷道圍巖的軟化和對錨網索支護系統的弱化機理。水對圍巖的作用包括物理化學作用和力學作用兩個方面，兩種作用共同導致了圍巖的弱化；頂板滲水會降低錨固劑粘結強度，減小錨桿索有效錨固長度，造成錨網索支護結構金屬構件的銹蝕，從而導致錨固系統可靠性下降。

②提出了厚層泥巖淋水頂板巷道的支護技術，確定了適合2609區段運輸平巷的的合理支護參數。通過沿巷道軸向布置卸水孔排水以減少水對巷道圍巖和支護結構的不利影響，采用參數合理的高預緊力錨網索支護技術可以有效解決巷道支護問題。

③該技術在2609區段運輸平巷的支護實踐中得到了成功應用。礦壓觀測表明，巷道掘進期間，頂板最大下沉量為11mm，兩幫最大移近量為82mm，左幫最大移近量為40mm，巷道頂板基本不發生離層，巷道變形得到有效的控制，巷道維護滿足生產要求。該支護技術可以在類似條件巷道支護實踐中參考應用。

參考文獻：

[1]李玉杰，王連國，等.地下水對巷道圍巖穩定性影響的數值模擬[J].徐州工程學院學報，2011，26（1）：34-39.

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[3]李忠建，魏久傳，尹會永，等.底板突水影響因素評價新方法：無量綱信息融合法[J].中國礦業，2010，19（1）：95-97.

[4]劉斌，李術才，李樹忱，等.電阻率層析成像法監測系統在礦井突水模型試驗中的應用[J].巖石力學與工程學報，2010，29（2）：297-

307.

[5]聶建偉，鐘新春.淋水復合頂板巷道錨梁網支護設計與應用分析[J].煤礦開采，2007，12（2）：39-41.

[6]劉長武，陸士良.泥巖遇水崩解軟化機理的研究[J].巖土力學，2000，21（1）：28-31.

[7]趙陽升.礦山巖石流體力學[M].北京：煤炭工業出版社，1994.

[8]黃醒春.巖石力學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[9]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[10]何富連，嚴紅，楊綠剛，等.淋水碎裂頂板煤巷錨固試驗研究與實踐[J].巖土力學，2009，32（9）：2591-2595.

[11]李志強.含水層頂板條件下錨索（錨桿）支護可靠性分析[J].煤，2008，17（2）：68-70.

作者簡介：王濤（1986-），男，河南永城人，碩士研究生，主要從事煤礦生產技術及設計工作。endprint

②高預緊力錨網索實現對圍巖的主動支護，設計合理的支護參數，采用加長錨固，并通過施加高預緊力提高支護系統的可靠性。

4.2 具體支護參數

4.2.1 頂板錨桿參數

巷道頂板采用7根Φ22×2800mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿加4.5m長M5型鋼帶、礦用鋼筋網聯合支護，托盤為專用配套的M10型鋼托盤，錨桿間距700mm，排距700mm。每根錨桿使用2卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑。錨桿安裝時施加的預緊力要求不小于60kN，錨固力不小于200kN。

4.2.2 頂板錨索參數

頂板沿巷道的走向方向依次布置錨索梁和單體錨索，形成“二三交替布置”。“二”為一梁二索，錨索為Φ18.9×6300mm鋼絞線。鋼梁采用礦用16號槽鋼梁，長度2.2m，兩個眼孔距離為1.6m，且錨索需加讓壓管。“三”為三根單體讓壓錨索，錨索為Φ18.9×8300mm鋼絞線，托盤尺寸為400×400×12mm+200×200×10mm的雙托盤。每根錨索使用4卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑，錨索安裝時預緊力要求不低于80kN，錨固力不低于250kN。

4.2.3 幫部錨桿參數

巷道幫部采用4根Φ22×2800mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿加2.8m長M5型鋼帶、礦用鋼筋網聯合支護，錨桿間距為800mm，排距均為700mm。每根錨桿使用2卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑。幫錨桿預緊力和錨固力要求同頂錨桿。在巷道煤層傾角變大的區域，鋼帶下端距離底板超過200mm時，在鋼帶下端空幫位置補打一根單體錨桿，并沿巷道走向鋪設幫部鋼帶。

4.2.4 幫部錨索參數

沿巷道走向在兩幫中部布置一套錨索梁，一梁二索，錨索為Φ18.9×6300mm鋼絞線。鋼梁規格為礦用16號槽鋼梁，長度2.2m，兩個眼孔距離為1.8m，且需加讓壓管，在槽鋼梁的槽內加一厚度不小于10mm的平墊鋼板為錨索托盤。每根鋼絞線使用4卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑，幫錨索預緊力和錨固力要求同頂錨索。

4.2.5 布置卸水孔

巷道為厚層泥巖淋水頂板，靠頂板最低端的單體讓壓錨索孔打好以后先不安裝錨索，作為出水孔導排頂板水，待頂板水變小后再安裝單體錨索。

4.2.6 特殊地段支護

對斷層帶等圍巖破碎區域，采用錨桿支護+鋼棚支護的聯合支護方式，并盡可能的先用錨桿錨索等主動支護錨固圍巖，再采用鋼棚支護并塞緊背實鋼棚與頂幫之間的空隙，具體方案及參數可根據現場實際進行針對性研究和設計。

巷道支護示意圖如圖1所示。

4.3 支護效果

2609區段運輸平巷礦壓觀測的結果表明：巷道掘進期間，頂板圍巖活動比較穩定，沒有發生明顯的變形下沉，測站1和3處觀測到頂板下沉約為11mm。巷道兩幫最大變形量達到82mm，左幫最大變形量達到40mm，巷道幫部變形主要是由右幫變形引起。測站2處觀測數據顯示左幫變形量較大，現場觀測也發現在左幫有數根錨桿被拉斷，說明測站2附近區域巷道左幫礦壓顯現比較明顯。由于巷道進行了多次拉底，底臌量無法進行測量。2609區段運輸平巷在掘進期間，基本沒有出現頂板離層，測站1和2處觀測到離層量為0，測站3處巷道頂板離層觀測記錄顯示，前12天未發生頂板離層，12天后開始出現離層，為錨桿錨固范圍外離層，最大離層量為7mm。巷道支護整體效果見圖2。

5 結論

①針對厚層泥巖淋水頂板巷道圍巖穩定性控制難題，研究了頂板水對巷道圍巖的軟化和對錨網索支護系統的弱化機理。水對圍巖的作用包括物理化學作用和力學作用兩個方面，兩種作用共同導致了圍巖的弱化；頂板滲水會降低錨固劑粘結強度，減小錨桿索有效錨固長度，造成錨網索支護結構金屬構件的銹蝕，從而導致錨固系統可靠性下降。

②提出了厚層泥巖淋水頂板巷道的支護技術，確定了適合2609區段運輸平巷的的合理支護參數。通過沿巷道軸向布置卸水孔排水以減少水對巷道圍巖和支護結構的不利影響，采用參數合理的高預緊力錨網索支護技術可以有效解決巷道支護問題。

③該技術在2609區段運輸平巷的支護實踐中得到了成功應用。礦壓觀測表明，巷道掘進期間，頂板最大下沉量為11mm，兩幫最大移近量為82mm，左幫最大移近量為40mm，巷道頂板基本不發生離層，巷道變形得到有效的控制，巷道維護滿足生產要求。該支護技術可以在類似條件巷道支護實踐中參考應用。

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作者簡介：王濤（1986-），男，河南永城人，碩士研究生，主要從事煤礦生產技術及設計工作。endprint

②高預緊力錨網索實現對圍巖的主動支護，設計合理的支護參數，采用加長錨固，并通過施加高預緊力提高支護系統的可靠性。

4.2 具體支護參數

4.2.1 頂板錨桿參數

巷道頂板采用7根Φ22×2800mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿加4.5m長M5型鋼帶、礦用鋼筋網聯合支護，托盤為專用配套的M10型鋼托盤，錨桿間距700mm，排距700mm。每根錨桿使用2卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑。錨桿安裝時施加的預緊力要求不小于60kN，錨固力不小于200kN。

4.2.2 頂板錨索參數

頂板沿巷道的走向方向依次布置錨索梁和單體錨索，形成“二三交替布置”。“二”為一梁二索，錨索為Φ18.9×6300mm鋼絞線。鋼梁采用礦用16號槽鋼梁，長度2.2m，兩個眼孔距離為1.6m，且錨索需加讓壓管。“三”為三根單體讓壓錨索，錨索為Φ18.9×8300mm鋼絞線，托盤尺寸為400×400×12mm+200×200×10mm的雙托盤。每根錨索使用4卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑，錨索安裝時預緊力要求不低于80kN，錨固力不低于250kN。

4.2.3 幫部錨桿參數

巷道幫部采用4根Φ22×2800mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿加2.8m長M5型鋼帶、礦用鋼筋網聯合支護，錨桿間距為800mm，排距均為700mm。每根錨桿使用2卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑。幫錨桿預緊力和錨固力要求同頂錨桿。在巷道煤層傾角變大的區域，鋼帶下端距離底板超過200mm時，在鋼帶下端空幫位置補打一根單體錨桿，并沿巷道走向鋪設幫部鋼帶。

4.2.4 幫部錨索參數

沿巷道走向在兩幫中部布置一套錨索梁，一梁二索，錨索為Φ18.9×6300mm鋼絞線。鋼梁規格為礦用16號槽鋼梁，長度2.2m，兩個眼孔距離為1.8m，且需加讓壓管，在槽鋼梁的槽內加一厚度不小于10mm的平墊鋼板為錨索托盤。每根鋼絞線使用4卷ZK2550快速低稠樹脂錨固劑，幫錨索預緊力和錨固力要求同頂錨索。

4.2.5 布置卸水孔

巷道為厚層泥巖淋水頂板，靠頂板最低端的單體讓壓錨索孔打好以后先不安裝錨索，作為出水孔導排頂板水，待頂板水變小后再安裝單體錨索。

4.2.6 特殊地段支護

對斷層帶等圍巖破碎區域，采用錨桿支護+鋼棚支護的聯合支護方式，并盡可能的先用錨桿錨索等主動支護錨固圍巖，再采用鋼棚支護并塞緊背實鋼棚與頂幫之間的空隙，具體方案及參數可根據現場實際進行針對性研究和設計。

巷道支護示意圖如圖1所示。

4.3 支護效果

2609區段運輸平巷礦壓觀測的結果表明：巷道掘進期間，頂板圍巖活動比較穩定，沒有發生明顯的變形下沉，測站1和3處觀測到頂板下沉約為11mm。巷道兩幫最大變形量達到82mm，左幫最大變形量達到40mm，巷道幫部變形主要是由右幫變形引起。測站2處觀測數據顯示左幫變形量較大，現場觀測也發現在左幫有數根錨桿被拉斷，說明測站2附近區域巷道左幫礦壓顯現比較明顯。由于巷道進行了多次拉底，底臌量無法進行測量。2609區段運輸平巷在掘進期間，基本沒有出現頂板離層，測站1和2處觀測到離層量為0，測站3處巷道頂板離層觀測記錄顯示，前12天未發生頂板離層，12天后開始出現離層，為錨桿錨固范圍外離層，最大離層量為7mm。巷道支護整體效果見圖2。

5 結論

①針對厚層泥巖淋水頂板巷道圍巖穩定性控制難題，研究了頂板水對巷道圍巖的軟化和對錨網索支護系統的弱化機理。水對圍巖的作用包括物理化學作用和力學作用兩個方面，兩種作用共同導致了圍巖的弱化；頂板滲水會降低錨固劑粘結強度，減小錨桿索有效錨固長度，造成錨網索支護結構金屬構件的銹蝕，從而導致錨固系統可靠性下降。

②提出了厚層泥巖淋水頂板巷道的支護技術，確定了適合2609區段運輸平巷的的合理支護參數。通過沿巷道軸向布置卸水孔排水以減少水對巷道圍巖和支護結構的不利影響，采用參數合理的高預緊力錨網索支護技術可以有效解決巷道支護問題。

③該技術在2609區段運輸平巷的支護實踐中得到了成功應用。礦壓觀測表明，巷道掘進期間，頂板最大下沉量為11mm，兩幫最大移近量為82mm，左幫最大移近量為40mm，巷道頂板基本不發生離層，巷道變形得到有效的控制，巷道維護滿足生產要求。該支護技術可以在類似條件巷道支護實踐中參考應用。

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作者簡介：王濤（1986-），男，河南永城人，碩士研究生，主要從事煤礦生產技術及設計工作。endprint