頂板淋水對巷道圍巖變形破壞的影響及防治

何富連，李曉斌，朱恒忠，徐祝賀，陳欽坤，李 政

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京100083）

水作為礦井五大自然災害之一，大量淋水會使道路濕滑，給礦井造成巨大安全隱患[1]。頂板巖石遇水后，強度會變低，容易發生冒頂事故，給巷道支護帶來巨大困難[2]。目前國內學者對頂板淋水巷道控制方面已進行了一些探索，馮志強等[3]研制出了1種用于頂板水治理的新型堵水注漿材料并在現場得到驗證；何富連等[4-5]提出采用新型防水錨固劑和高預應力錨桿索來支護破碎淋水頂板，并取得良好控制效果；姚強嶺等[6]根據頂板巖性對富水巷道進行分類，闡釋了巷道分頂控制技術。但上述研究多是分析錨固劑性能和巷道支護系統。然而，對于淋水條件下圍巖變形破壞特征的研究不夠全面和透徹。結合某礦相關地質條件，重點從理論推導和數值模擬2個方面詳細闡述了受淋水影響的圍巖變形破壞特征，最后提出了淋水頂板條件下巷道圍巖控制技術。該研究對于預防巷道冒頂提供了新的理論和技術支撐。

1 工程概況

某礦8203工作面位于北二盤區1135水平，走向長1 450 m，傾斜長220 m，工作面為一進二回三巷布置，其中2203運輸巷、5203回風平巷沿5#煤層底板布置，5203-1頂回風平巷沿5#煤層頂板穩定巖層開掘。2203運輸巷與北二盤區輔助運輸巷、主運輸巷相連接，5203回風巷與北二盤區回風大巷相連接，5203-1頂回風巷外端與北二盤區回風大巷相連接，與北二盤區輔助運輸大巷通過聯絡斜巷相連接。工作面主要開采5#煤層，平均厚度為15.45 m，煤層結構復雜，煤層傾角為3°～ 4°，煤層硬度為 2～3。5#煤層位于太原組中部，層位穩定，煤層厚度大，夾石巖性為黑色炭質泥巖及高嶺巖，泥質結構，塊狀構造。據地質資料表明，5#煤層開采時，砂巖裂隙水進入礦井。巷道掘進過程中，施工多個探水孔均有涌水，隨時間推移，水量變小，山西組底部砂巖裂隙含水層為5#煤層的主要直接充水因素。8203工作面如圖1。

圖1 8203工作面示意圖

2 頂板淋水對圍巖性質的影響

巷道成巷后，頂板淋水會使圍巖性質發生很大變化，表現為圍巖單軸抗壓強度和彈性模量降低[7]，且隨著含水率的增加，兩者大致呈現線性降低，單軸抗壓強度與含水率的關系如圖2，彈性模量與含水率關系如圖3。

圖2 單軸抗壓強度與含水率的關系

圖3 彈性模量與含水率的關系

式中：σc、E分別為巖石遇水后的單軸抗壓強度和彈性模量，MPa；σc0、E0分別為巖石遇水前的單軸抗壓強度和彈性模量，MPa；w、w0分別為巖石含水率和初始含水率，%；A、B為與巖石性質有關的系數。

3 頂板淋水對巷道圍巖塑性區的影響

3.1 理論模型的建立

假設頂板巖層為均質、各向同性的連續介質且水的滲流規律滿足達西定律，建立的彈塑性理論模型如圖4。

圖4 彈塑性理論模型

根據滲流理論和抽水試驗可知[8-9]：

式中：pw為巷道滲透水壓力，Pa；pd為原始滲透水壓力，Pa；r為任意一點到巷道中心的距離，m；Rd為水影響半徑，m；R0為圓形巷道半徑，m。

含水圍巖滿足平衡微分方程：

式中：σr、σθ為徑向應力和切向應力，Pa；a 為有效水壓力系數，與孔隙率有關，a介于0到1之間。

由莫爾-庫倫理論可知：

式中：φ 為內摩擦角，（°）；C 為黏聚力，MPa。

將式（2）和式（4）代入式（3）得到：

巷道被支護以后，可以認為巷道圍巖表面受到均布載荷，即 r=R0，σr=pi。利用式（4）求解式（5）得到應力表達式：

假設彈性區和塑性區交界處距離為Rp，在彈塑性交界處r=Rp時，可得塑性區半徑Rp和位移up的表達式為[10]：

式中：Rp為塑性區半徑，m；p0為原巖應力，MPa；up為塑性區位移，m；E0為彈性模量，MPa。

由式（7）和式（8）可知，巷道圍巖在含水率高且有支護情況下，發生塑性變形的半徑和位移與黏聚力、內摩擦角、原巖應力、原始滲透水壓力、彈性模量、支護阻力、圓形巷道半徑和有效水壓力系數等因素有很大關系[11-13]。具體表現為：

1）巷道圍巖塑性區位移和半徑隨C和φ的減小而增大。這是因為在含水率高的情況下，滲透水壓力會變大，圍巖的內摩擦角和黏聚力減小，圍巖強度降低，從而產生大變形。

2）巷道圍巖塑性區域的擴展隨原巖應力p0的增大成指數形式快速增長且增長速度與φ有關，內摩擦角越小，增長速率越快，圍巖塑性區范圍越大，破壞越嚴重。

3）在一定范圍內，巷道圍巖塑性區半徑和位移隨支護阻力pi的增大而減小，隨有效水壓力系數a的增大而增大。由此可見，在頂板淋水情況下可以通過采用提高支護強度的方式來控制圍巖變形。

3.2 數值模型的建立

運用FLAC3D軟件進行數值模型的建立，垂直巷道長度方向為x軸，巷道長度方向為y軸，鉛直方向為z軸。模型上部施加均勻載荷q=ρgH=12.5 MPa，其中q為上覆巖層的質量；ρ為巖層平均密度；H為埋深，取500 m。模型底面和兩側固定，巷道圍巖本構關系為摩爾-庫倫模型，分析頂板在有無淋水條件下巷道圍巖塑性區、應力和位移的變化情況。巷道圍巖塑性區、應力和位移分布云圖如圖5。

圖5 巷道圍巖塑性區、應力和位移分布云圖

1）從無淋水到有淋水條件下，巷道圍巖發生破壞的范圍逐漸增大，頂板塑性區的范圍大于兩幫塑性區的破壞，底板發生破壞的范圍受含水率變化的影響不大。

2）頂板無淋水條件下圍巖發生塑性變形范圍約為1.4 m，有水條件下塑性區范圍約為3 m，由此可得圍巖在淋水條件下發生破壞范圍是無淋水條件的2 倍多[14]。

3）從無淋水到有淋水條件，圍巖垂直應力逐漸增大，垂直應力變化主要集中在兩幫，這是由于一方面巷道開挖后圍巖由三向應力狀態變成二向應力狀態，另一方面圍巖遇水發生膨脹，產生應力集中現象。故在淋水頂板條件下兩幫垂直應力變化顯著。

4）從無淋水到有淋水條件，頂板下沉量和兩幫移近量都有所增加，但頂板下沉量比兩幫移近量更加明顯。這主要是由于在頂板淋水條件下，上覆巖層遇水發生軟化現象，強度降低，錨固劑失效，支護效果不顯著，頂板發生顯著下沉，有時伴隨著冒頂事故，給礦井生產帶來嚴重影響。

4 支護方案及應用效果

4.1 支護方案

針對某礦8203工作面5203回風平巷存在頂板淋水現象，對該巷道進行現場工業性試驗。5203巷道為矩形斷面，巷道掘進寬5 600 mm，凈寬5 400 mm，凈高3 500 mm,局部凈高達4 m多，凈斷面為18.9 m2，錨桿索支護布置如圖6。巷道整體采用錨網索聯合支護，頂板淋水段錨桿索支護使用新型防水錨固劑,對于局部特別破碎的淋水頂板區域可采用注漿加固[12-15]。

圖6 巷道支護斷面圖

支護參數如下：頂板采用6排左旋無縱螺紋鋼錨桿5 000 mm×200 mm×3W型鋼帶、三二三布置錨索+鐵托板、φ6#網格100 mm×100 mm的金屬網聯合支護。在巷道兩側頂角各打1排角錨桿，其它各排錨桿間排距900 mm×1 000 mm，錨桿直徑φ22 mm、長L=2 400 mm，兩幫側角錨桿與水平面夾角75°，其它垂直頂板；錨索排距2 000 mm、間距2 000 mm，直徑φ17.8 mm，長8 300 mm，兩側錨索與水平面夾角為70°，中間與頂板垂直。巷道回采幫用3排玻璃鋼錨桿、網格40 mm×40 mm塑料網聯合護幫，錨桿直徑φ20 mm、長L=2 200 mm，距巷道頂板300 mm打第1排錨桿，距巷道底板800 mm打第3排錨桿，間排距1 200 mm×1 000 mm。巷道煤柱幫用3排左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、金屬網（同頂板規格）護幫,錨桿直徑φ22 mm、長L=2 400 mm，兩幫側角錨桿與水平面夾角75°，錨桿布置方式同回采幫。

4.2 應用效果分析

5203回風平巷采用聯合支護后，在巷道頂板和兩幫分別布置測點，觀測并記錄位移量，利用origin軟件繪出圍巖變形量隨時間變化的曲線（圖7）。

圖7 巷道圍巖變形曲線

從圖7可知，隨著時間的推移，圍巖變形量在逐漸減小，在70 d左右圍巖變形量趨于穩定，最終頂板最大下沉量100 mm，兩幫最大移近量不超過70 mm。礦壓觀測結果表明，采用錨網索聯合支護能夠有效改善支護效果。

5 結論

1）通過對滲流規律和彈塑性理論的研究與分析，得出在頂板淋水條件下巷道圍巖塑性區的擴展與圍巖本身性質、滲透水壓力和支護強度等有關。

2）頂板淋水條件下，頂板礦壓顯現大于兩幫礦壓顯現大于底板礦壓顯現，要加強頂板的支護。

3）根據5203回風平巷具體的地質條件，采用了錨網索聯合支護－新型防水錨固劑－注漿法等支護手段，現場實踐結果表明，巷道圍巖控制效果良好。