厚層泥巖淋水頂板過斷層錨注架聯合支護技術

趙華全，王 偉，王海川，張歡歡

(陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

斷層是地殼上普遍分布的一種地質構造，是構造運動產生的地應力超過組成地殼煤巖體的強度極限時，發生斷裂的現象，斷裂后的煤巖體沿破裂面發生位移，該斷裂構造稱之為斷層，斷層結構一般較為破碎，常夾帶軟弱夾層和風化碎屑，并可能為附近富水地層的導水通道，其巖體自承能力較差，給礦井安全生產造成極大威脅[1-3]。地下水是影響煤礦安全生產的重要因素之一。巷道頂板淋水，不僅弱化頂板巖性，同時使支護構件銹蝕，降低錨桿索支護承載力，尤其泥巖頂板，受淋水影響極易出現碎脹、泥化現象，嚴重時易造成局部漏頂或冒頂事故發生[4]。因此，研究過斷層期間厚層泥巖頂板淋水條件下巷道變形機理，對解決頂板淋水條件下的巷道支護難題具有重要的意義。結合胡家河煤礦北西輔運大巷過斷層穿層期間頂板淋水條件下厚層泥巖頂板巷道支護工程實踐，對淋水條件下圍巖穩定性及支護技術進行探究。

1 工程背景

1.1 工程概況

北西輔助運輸大巷是胡家河煤礦承擔西北盤區延伸的輔助運輸巷道，北西大巷共布置3組，該巷道為優先掘進巷道。設計布置于侏羅系中統延安組4號煤層中，地表標高+870～1 200 m，井下標高+475～+430 m，煤層平均厚度9 m，頂底板巖性以灰色、深灰色泥巖為主，巷道為直墻半圓拱型斷面，掘寬6 240 mm，掘高5 020 mm，采用錨索網聯合支護方式，頂板錨桿為φ22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合W型鋼帶支護，間排距700 mm×700 mm矩形布置，錨索為1×19股高強φ21.8 mm×7 100 mm鋼絞線錨索，間排距1 200 mm×1 400 mm，“6-6”布置。目前已掘進完成2 450 m，正頭掘進期間揭露一條DF22正斷層，走向NEE，傾向NNW，傾角78°，斷層落差0～9 m，斷層示意圖如圖1所示。

圖1 斷層示意圖

1.2 圍巖特性

目前巷道穿斷層下盤，為全泥巖巷道，泥巖與砂質泥巖均具有親水性，巖石膠結性差，遇水易產生損傷，巖石中節理、裂隙由于水的浸入產生崩解、軟化、甚至泥化，使巖石的承載能力明顯減弱，泥巖抗崩解能力低，軟化性較強，北西輔運大巷圍巖力學性質見表1。巷道頂板上部4 m位置為煤層底板，掘進過程中受斷層影響伴有淋水現象，隨工作面掘進，淋水不斷增大，成線狀，水量達15 m3/h。受淋水影響，頂板泥巖遇水碎脹、泥化，頂板出現下沉，圍巖完整性下降、強度降低的崩解軟化特征非常明顯，局部漏頂，支護困難。

表1 北西輔運大巷圍巖力學性質

2 圍巖破壞機理及支護技術

2.1 巷道圍巖及支護破壞機理

斷層對巷道頂板淋水影響：該巷道充水水源為侏羅系延安組、直羅組及白堊系洛河組頂板含水層，掘進期間主要影響為延安組煤系地層，為承壓含水巖組，具有一定富水性、承壓性，補給源較遠，補給水頭亦高，原巷道布置于煤層中，正常掘進期間未見明顯淋水現象。但受斷層影響，巷道掘進穿斷層面后進入斷層下盤，為全泥巖巷道，巷道圍巖裂隙發育明顯，斷層面巖體整體性較差，自主承載能力及阻水性較弱，極易導通上覆含水層，出現淋水現象。

頂板淋水對巷道圍巖的破壞機理：軟巖巷道之所以難以支護一方面是因為軟巖的本身承載能力低，另一方面是因為軟巖巷道中巷道圍巖巖層中含有很多的裂隙及結構弱化面，一旦遇到含水層時將加劇巖石弱化。在厚層泥巖巷道中，水是泥巖力學性質發生變化的最主要因素之一，水能快速或逐漸地改變巖石狀態，使其變形特征及圍巖強度發生改變。水對巷道圍巖的破壞作用一般體現在兩個方面，一方面水在煤巖體中流動對已存在的圍巖裂隙及節理進一步疏導，并在煤巖體中產生軟化作用，在節理及裂隙發育較明顯的不連續面中起到潤滑效果；另一方面水的存在改變了煤巖體的物理力學性質，使其單軸抗壓強度減低，內摩擦角和黏結力減小，進而造成圍巖強度降低。加之在掘進過程中對圍巖不及時封閉，由于圍巖長時間的暴露，就會加劇巖體的泥化及風化過程，造成更加明顯的節理化特征[5-7]。

頂板淋水對支護破壞機理：對于錨網索支護的巷道中，頂板水對錨固支護效果的破壞也是很明顯的，在進行錨桿索支護過程中，頂板水的存在不僅降低了錨固劑的粘結性，減慢錨固劑反應速度，支護中頂板水沿著錨索孔外流，造成部分錨固劑流失，進一步減少了錨桿索錨固長度，使得錨固力或預緊力難以滿足要求。對于即便錨固成功的錨桿索，由于頂板淋水的存在，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，在一定程度上同樣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。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[8-9]。

2.2 錨注架噴聯合支護技術

支護理念：支護理論認為，提高巷道圍巖支護，一般采取兩種有效措施，一種是通過有效改善巷道圍巖內部結構及煤巖體性能來提高巷道支護效果；第二種是采取外在措施被動提高巷道煤巖體支護[10-11]。改善圍巖的自身結構，提高圍巖承載上覆巖層壓力的能力，充分發揮圍巖潛在的自主承載能力，然后再給與巷道圍巖被動支護，往往能達到非常好的支護效果。

巷道噴漿和圍巖注漿：目前對于改善巷道圍巖自身結構，充分利用巷道圍巖自主承載能力的措施主要有巷道噴漿和圍巖注漿兩種，其中巷道圍巖注漿是利用漿液把圍巖的各種弱面充實，并把弱面充填體和四周巖體重新膠結起來，封堵圍巖的裂隙，隔絕空氣來防止圍巖風化，并且能封閉水源，減少水對圍巖的泥化作用及防止圍巖被水浸濕而造成圍巖強度降低，從而提高圍巖的整體穩定性及其力學性能，改善圍巖的物理力學性質，增強巷道圍巖自主承載能力。巷道噴漿主要是利用混合物噴層與巷道淺部圍巖鉸接一起，共同形成組合拱結構，以支撐圍巖、封閉圍巖防止風化作用。

圍巖注漿配合錨噴支護：在巷道四周形成一個有效的組合拱，即噴網組合拱、錨桿壓縮區組合拱及漿液擴散加固拱，形成多層組合拱結構，擴大提高有效承載范圍、支護結構的整體性和承載能力，該支護機理如圖2所示。

1-支護構件；2-注漿管；3-U型鋼棚承載結構；4-漿液擴散范圍；5-支護作用錨固承載殼；6-混凝土噴層形成的組合拱圖2 巷道錨注噴加固支護機理

3 工程應用

3.1 支護思路

詳細背景：胡家河煤礦北西輔助運輸大巷為直墻半圓拱形巷道，直墻高1.6 m，掘寬6 240 mm，掘高5 020 mm，凈寬6 000 mm，凈高4 600 mm，S掘為27.14 m2，S凈為23.73 m2。巷道過F22斷層，目前穿下盤巖巷掘進，巷道頂板距離煤層底板4 m，煤層厚度約6 m，煤層坡度+3°，巷道施工坡度+6.5°。

支護步驟：①巷道正頭斜向掘進方向布置卸水鉆孔，通過施工泄水鉆孔來降低或者消除鉆孔附近的涌水；②超前預注漿，提高巷道圍巖(泥巖)的整體性和自身承載能力；③取消錨桿支護，采用全錨索高強支護實現對圍巖的主動支護；④架設29U型鋼棚增加外在承載能力，提高支護系統可靠性；⑤噴射混凝土封閉圍巖。

3.2 具體支護參數

布置卸水孔：巷道為厚層泥巖滲水頂板，靠頂板前端使用錨索支護工具施工一排卸水鉆孔，鉆孔迎掘進方向前上方75°角施工，每排布置3孔，正頂與兩肩窩各一組，排距3 m，深度7.5 m。

超前預注漿：注漿設備為2ZBQ-6/12型氣動高壓雙液注漿泵，注漿材料為SCPJG-2礦用復合加固材料是由A、B兩種組分的復合材料，該材料抗壓強度高，遇水不發泡，粘結性好，適用于含水、松散、破碎的煤巖體斷層帶、陷落柱、煤巖層破碎帶的超前加固。注漿孔“5-3-5”布置。長孔深度為5 m，花管1 m，短孔深度為3 m，花管0.5 m，封孔深度均1.5 m，孔間距為1.5 m，排距為1.5 m，施工角度均斜向掘進方向45°，注漿壓力不小于4 MPa。

巷道錨索支護參數：采用全錨索支護，錨索規格為φ21.8 mm×7 100 mm，“6-6”布置，間排距為700 mm×700 mm，施工于“W”型鋼帶孔位置，每根錨索使用2支K2360型和1支Z2360型錨固劑錨固，預緊力≥200 kN。配套使用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盤及雙層φ6.0 mm鋼筋網，網幅900 mm×1 700 mm，網格為100 mm×100 mm，錯差使用。

架設U型鋼棚：29U型鋼棚規格為寬6.0 m，高5.0 m，棚間距800 mm，棚腿與拱部棚梁用卡纜連接，搭接長度≥500 mm；兩棚之間用5根拉板拉緊，棚梁上方的空頂部分和棚腿空幫部分必須用“井”字型木垛接實。在U型棚兩側棚腿0.5 m、1.8 m高位置，棚梁兩端距卡纜0.5 m的位置各打設2根φ15.24 mm×3 500 mm錨索固定棚腿。架棚完成后及時對巷道進行混凝土噴漿封閉厚度≥120 mm，強度不低于C25。巷道支護示意圖如圖3所示。

圖3 巷道支護示意圖

3.3 支護效果

通過對北西輔助運輸大巷進行礦壓觀測，巷道掘進期間，圍巖較為穩定再未出現明顯下沉及漏頂現象，頂板淋水明顯減少，斷層面前后巷道圍巖下沉得到控制，兩幫再未發生收斂，具體巷道及圍巖表面位移變形如圖4所示。通過1#測點觀測分析可知，巷道仍存在底鼓現象，底鼓最大變形量可達到100 mm，幫部最大收斂60 mm，頂板較為穩定，下沉量得到明顯控制。

圖4 巷道及圍巖表面位移變形曲線圖

4 結論

(1)針對厚層泥巖淋水頂板巷道圍巖易失穩問題，分析了斷層對巷道淋水的影響因素及頂板淋水對巷道圍巖、支護破壞機理。頂板淋水的存在造成煤巖體節理、裂隙進一步發育，巷道圍巖物理力學性質改變，圍巖強度降低；受淋水影響錨桿索錨固效果明顯降低，支護構件可靠性明顯下降。

(2)提出了注錨架噴聯合支護技術，確定了適合北西輔助運輸大巷過斷層穿層期間合理支護方案。通過實施超前卸水鉆孔、超前預注漿措施，減少頂板淋水影響，增加巷道圍巖整體性及自主承載能力，采用全錨索支護將軟弱泥巖錨固于穩定煤層頂板中，利用后續架棚噴漿及時封閉圍巖，以解決淋水厚層泥巖頂板巷道失穩問題。

(3)該支護方案在北西輔助運輸大巷得到成功應用，通過礦壓觀測表明，巷道過斷層穿層期間上覆泥巖頂板穩定性得到控制，巷道移近量減少，頂板淋水明顯較弱，巷道掘進滿足安全生產需要。