頂板富水條件下巷道掘進支護技術研究

安彥霖

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西方山033100）

1 工程背景

某礦現主采8號煤層，煤層平均厚度為2.75m，111801工作面為該礦首采工作面，工作面兩條順槽頂底板巖層主要以砂質泥巖和粉砂巖為主，該類巖層膠結性差，圍巖強度較低，遇水后容易發生軟化、崩解，導致巷道頂板支護困難，圍巖變形量較大。同時巷道頂板上部有含礫粗砂巖含水層的存在，造成巷道頂板出現淋水現象，影響了生產的正常進行。因此以111801運輸順槽為工程背景，對富水頂板巷道圍巖控制技術展開相關研究。

2 圍巖分段控制技術

對于富水頂板巷道，水的存在不但會弱化巷道頂板強度，同時會導致頂板可錨性降低，錨桿無法找到可靠的著力點，造成該類型巷道支護困難。該巷道頂板巖層主要有兩類：弱膠結巖層和含水層，弱鉸接巖層主要為巷道上覆直接頂，該類巖層遇水后發生弱化，強度會降低；富水巷道頂板主要來自于砂巖含水層，其所處的巖層層位會對巷道頂板穩定性產生重要的影響。基于上述分析，將巷道頂板分為Ⅰ類和Ⅱ類富水頂板巷道，針對其不同的巖層性質來采取不同的支護方式，并制定不同的疏水和保水措施來對巷道圍巖進行分段控制。

2.1 Ⅰ類富水頂板巷道

該類型巷道中砂巖含水層所處的層位較高且厚度相對較大，通常會超過錨桿錨固位置1m左右，但仍處于錨索的錨固范圍內。在該種情況下，錨桿支護系統可加固隔水層，不會導致上位含水層與下位的弱膠結巖層相互貫通，因此采用錨桿支護后不會造成巷道頂板出現滲水或者淋水等現象出現，而下位弱膠結巖層含水量較低，不會對錨桿支護系統穩定性產生顯著影響；而采用錨索支護時，錨桿會穿越該含水層，破壞穿層區域含水層結構，錨索支護完成后，頂板水會沿著錨索索體流出，在采取相關堵水和疏水措施后，仍可保證巷道圍巖的穩定性。因此針對該類型的巷道可采用錨桿加錨索聯合支護方式，二者共同維護頂板圍巖穩定性。

錨桿支護：巷道掘成后，首先對巷道斷面進行混凝土噴射，以封閉圍巖表面裂隙，初噴厚度為50mm，此后緊跟著進行錨桿支護，頂板和兩幫所選用的錨桿均為直徑為22mm、長度為2200mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，與之配合使用的蝶形托盤長寬均為150mm、厚度為10mm。頂部和幫部錨桿間距排距均為800mm，所選用錨固劑為防水型，快速和中速各一支，施工完成后錨桿預緊力達到80kN，為充分發揮錨桿支護阻力，在頂幫均鋪設鋼絲直徑為6mm的金屬網和鋼筋直徑為14mm的鋼筋梯子梁。

錨索支護：當巷道頂板的錨桿支護完成后，緊跟進行錨索支護，選用直徑為21.6mm、長度為6300mm的19股鋼絞線錨索，配合使用的蝶形托盤長寬均為300mm、厚度為16mm。頂錨索間距為1400mm、排距為1600mm，同樣使用放水型錨固劑，快速一支、中速三支，施工完成后錨索預緊力為200kN，所用鋼筋梯子梁規格與錨桿相同。最終Ⅰ類富水頂板巷道支護斷面示意圖如圖1所示。

圖1 Ⅰ類巷道支護斷面示意圖

2.2 Ⅱ類富水頂板巷道

該類型巷道中頂板含水層所處的層位較低，與巷道頂板距離在2m內。在該種情況下，巷道的開掘易對上覆含水層產生擾動，而巷道頂板上覆弱膠結巖層內形成的采動裂隙會成為含水層的導水通道，進一步導致弱膠結巖層強度降低，巷道頂板出現淋水情況。頂板錨桿錨固段恰好處于砂巖含水層中，錨桿無法實現可靠的著力點，難以發揮其主動支護的作用，同時錨桿鉆孔會進一步成為巷道頂板涌水通道，導致頂板強度進一步降低，支護效果不佳。因此針對此類型巷道，頂板支護主要以錨索為主，巷幫支護采用錨桿支護，同時結合相關堵水和疏水措施，最終實現巷道圍巖的穩定。

Ⅱ類巷道頂板支護工藝與Ⅰ類巷道相同，首先對新掘出的巷道進行混凝土初噴，初噴厚度為50mm，隨后進行錨桿（索）支護，錨桿（索）及相關支護材料規格性質均與Ⅰ類巷道支護時所選相同，頂板支護僅為錨索支護，其間距和排距均為1200mm，巷幫支護仍為錨桿支護，錨桿間排距均為800mm。最終Ⅱ類富水頂板巷道支護斷面示意圖如圖2所示。

圖2 Ⅱ類巷道支護斷面示意圖

2.3 巷道疏水與保水措施

2.3.1 巷道疏水措施

頂板巖層內含水會導致其強度降低，影響錨桿（索）的錨固效果，制定合理的疏水鉆孔布置方案，對頂板含水層水流進行排放，從而減小水對頂板巖層的弱化作用。

1）含水層層位及層厚的確定。

對頂板上覆巖層含水層的層位及含水量進行準確測量，為制定技術及經濟上合理的疏水措施具有重要的指導意義。沿巷道掘進方向每隔50m布置一個觀測鉆孔，通過窺視儀對鉆孔內部的巖層性質、節理裂隙發育情況及含水情況進行觀測，主要對鉆孔內出水點高度信息和穿過含水層的高度信息進行記錄，進而得出頂板含水層厚度。由鉆孔內部窺視結果可知，各鉆孔內出水點最小值為1.4m，最大值為4.2m，平均處于3.1m左右，含水層層厚在0.9～2.8m之間，且孔內出水點高度與含水層厚度呈反比關系，鉆孔內含水層高度普遍未超過5m。

2）疏水孔布置參數。

疏水孔布置參數主要包括孔徑和孔深，鉆孔直徑過大則現場施工工程量大，鉆孔直徑過小則排水過程中水流速度過小，對巷道掘進速度產生影響，綜合考慮將孔徑確定為50mm較為合適，鉆孔傾角按65°～75°設計，為使巷道的降排水效果達到最佳，疏水鉆孔終孔高度應超過含水層最大高度1.5～2m，因此將鉆孔斜長確定為7m。巷道每隔一段距離設置臨時水倉，對疏放的頂板水進行收集和儲存，以防止巷道底板受淋水影響而強度降低。鉆孔疏水完成后，可繼續作窺視使用。

為防止頂板疏水施工與巷道掘進相互影響，疏水鉆孔施工滯后于掘進面迎頭15～20m，疏水鉆孔沿著巷道走向靠近兩幫交錯布置，每幫疏水鉆孔間距離為30m，如圖3所示。當鉆孔排水量發生明顯減小時，停止疏水工作，并將孔口封堵。同時為了彌補因鉆孔施工而導致周邊圍巖強度降低的問題，在孔周邊補打一根錨索以增加該區域的支護強度。

圖3 疏水孔布置示意圖

2.3.2 巷道保水措施

1）巷道表面噴漿，通過噴漿可將巷道圍巖表面裂隙封閉，減小頂板淋水，防止受水侵蝕作用的頂板軟弱巖層進一步發生吸水風化，同時噴射的混凝土具有一定的強度，對加強巷道圍巖支護起到促進作用。

2）錨桿（索）錨固段加長，錨桿（索）桿體及鉆孔都會成為含水層的淋水通道，因此可通過將錨桿（索）錨固段長度增加，通過錨固劑對孔內圍巖裂隙進行封閉，從而防止上部含水層向下部巖層進行水力滲透。錨固段長度的增加同時可以增加錨桿（索）支護系統強度。

3）滯后掘進面迎頭進行注漿堵漏，該項工作主要針對巷道頂板含水層層位較低，導致其下方巖層含水量較大，頂板淋水嚴重的問題。通過選用ZKD高水速凝材料對頂板進行注漿加固。

3 工業性試驗及礦壓觀測

根據圍巖分段控制指定的支護方案，及疏水和保水措施，在111801運輸順槽進行工業性試驗，為驗證巷道支護參數及支護效果的合理性，對巷道進行礦壓觀測，主要包括巷道圍巖變形量及錨桿（索）受力情況。巷道圍巖變形情況如圖4所示，由圖可知，在巷道開挖初期圍巖變形量較大，滯后掘進工作面距離越近，圍巖變形增長越快，滯后掘進工作面迎頭越遠，圍巖變形趨于穩定，受頂板富水影響，巷道頂板下沉量大于兩幫移近量及底鼓量。在巷道開挖后20d內，巷道圍巖變形呈現快速增長，頂板平均下沉速度為5.9mm/d，兩幫平均移近速度為3.8mm/d，底鼓平均速度為1.2mm/d，此時測點距離掘進面迎頭130m左右，此后巷道圍巖變形速度逐漸減小，當距離巷道掘進面迎頭150mm左右時巷道圍巖變形逐漸趨于穩定，最終頂板下沉量為142mm，兩幫移近量為86mm，底鼓量為34mm，圍巖變形量處于可控范圍，支護效果良好。

圖4 巷道圍巖表面變形曲線

錨桿及錨索軸向載荷監測結果如圖5所示，由于巷道頂板變形量較兩幫及底板大，頂部錨桿受力普遍大于幫部錨桿，當滯后掘進面迎頭130～150m時，錨桿軸向載荷基本趨于穩定，頂錨桿最大載荷未超過120kN，幫錨桿最大載荷未超過60kN；錨索軸向載荷在滯后掘進面迎頭100m左右時逐漸趨于穩定，錨索載荷基本在156～262kN之間，支護效果良好。

圖5 錨桿（索）軸向載荷監測

4 結 論

對于富水頂板巷道，水的存在不但會弱化巷道頂板強度，同時會導致頂板可錨性降低，錨桿無法找到可靠的著力點，造成該類型巷道支護困難。通過采取圍巖分段控制技術并結合疏水與導水措施對巷道圍巖進行綜合支護可增強圍巖強度，減小圍巖變形，支護效果良好。