龐龐塔煤礦回采巷道頂板防治水技術研究

郝 海 濤

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

0 引 言

對煤炭資源經過持續多年的大規模開采，賦存條件較好的煤炭資源已日益枯竭，而埋藏較深、賦存條件較差的煤炭資源則逐漸成為了我國開采的主要對象[1]，有時巷道不可避免的布置于具有弱富水性的地質構造帶當中，受此影響巷道頂底板圍巖條件急劇惡化，涌水量增加，若不對其進行及時治理，極有可能發生重大的安全事故[2]，造成難以挽回的損失，因此針對巷道圍巖的防治水技術眾多學者對此展開了詳細研究[3-4]。

龐龐塔煤礦9- 3012 巷道在掘進過程中揭露一弱富水性區域，頂板淋水量急劇增加，底板積水嚴重，同時局部地區頂板下沉明顯，兩幫移近量較大，現有支護方式不能對巷道圍巖穩定性形成較好的控制，為了保證回采工作面的采掘正常交替，對處于弱富水性區域巷道段的支護進行優化已成為了該礦當前急需解決的首要任務。

1 工程概況

龐龐塔煤礦9- 301 工作面所采煤層主要為9#煤層，該工作面埋深達到了550m，工作面沿走向布置沿傾向推進，其中工作面走向布置長度為150m,推進長度為1450m，采高為3m，采用綜合放頂煤一次采全高的方法對9# 煤層進行回采，該工作面所采用的液壓支架型號主要為ZF12000/22/35，共計101 架。9- 3012 巷道為9- 301 工作面的回采巷道，該巷道主要負責通風以及行人，凈寬4.5m，凈高3m，采用錨網梁+ 錨索支護，頂部選用φ20×2000mm 左旋螺紋鋼高強錨桿，每排布置5 根，間排距為900mm×1000mm，巷道最外側錨桿與豎直方向的夾角為15°，其余錨桿均垂直于頂板布置。頂板錨索在距巷道中心左右兩側900mm 處分別布置一根，排距為1000mm，錨索采用φ17.8×L6300mm的預應力鋼絞線。幫部錨桿每排布置3 根錨桿，間排距為 1200mm ×1000mm， 頂錨桿距離頂板300mm，錨桿型號與頂板一致。在支護過程中錨桿統一施加預緊力65kN，錨索統一施加預緊力125kN。巷道支護斷面如圖1 所示。

該巷掘進總長度達到了1650m，巷道掘進至距開口位置740m 處時揭露一已探明的弱富水性區域，布置于該富水性區域中的9- 3012 巷道段預計達到了180m，巷道圍巖穩定性受此富水性區域的影響，頂板淋水量較大，錨網索腐蝕嚴重，且多次出現返修，巷道破壞特征如圖2 所示。

圖1 巷道斷面支護圖

圖2 錨網索腐蝕圖

2 巷道頂板淋水來源

9- 3012 巷道揭露弱富水性區域時頂板淋水現象嚴重，根據該礦的水文地質資料顯示，頂板水主要來源于大氣降水以及附近河流的水流補給，同時巷道頂板深部存在著灰巖含水層，該灰巖富水性較弱，單位涌水量為0.038～0.096L/s.m。淋水段巷道頂板條件較差，受掘進擾動影響頂板圍巖裂隙得到一定程度的發育，進而形成導水裂隙帶，為頂板淋水創造了條件。

3 現場實測

3.1 巷道頂底板圍巖力學參數測試

掌握淋水段巷道頂底板圍巖的物理力學性質，對于探明巷道的破壞原因并對原支護方案進行優化具有重要意義。在巷道淋水段選取合適的位置打鉆取芯，并將所取巖芯帶回實驗室通過巖石力學試驗機對其力學參數進行測試，測試結果如表1 所示。

由表1 可知巷道的直接頂為泥巖和泥質灰巖，巖層厚度分別為2.5m 和4.3m，其中泥巖的抗壓強度僅為18.4MPa，強度偏低，泥質灰巖的抗壓強度則為25.67MPa，該巖層強度與泥巖相比有所提高。老頂則為細粒砂巖和炭質泥巖，厚度較厚，分別達到了8.5m 和10.4m，在測試過程中發現直接頂和老頂圍巖中微小裂隙較為發育，該巷直接底和老底則分別為泥巖和粉砂巖。

表1 淋水段巷道頂底板圍巖物理力學參數統計表

3.2 巷道頂板圍巖礦物組分測試

頂板圍巖的礦物組分對于巷道圍巖穩定性同樣具有重要影響，本文采用多功能X 射線衍射儀對所取頂板巖芯的礦物組分進行了測試，將測試所得的結果統計于表2 中。

表2 頂板圍巖礦物組分測試結果

由表2 可知淋水段巷道頂板含有較多的高嶺石、白云母以及石英，同時還含有少量的黃鐵礦以及斜長石。其中高嶺石遇水易膨脹，白云母、斜長石遇水則易水解，若頂板淋水現象嚴重則會給該巷的支護帶來巨大挑戰。

3.3 淋水頂板巷道原位拉拔測試

頂板的淋水現象必然會對錨桿（索）的錨固性能造成影響，為了探明淋水對其的影響大小，本文對淋水和非淋水條件下巷道錨桿（索）的錨固力進行了原位拉拔測試，并將所測得的數據統計于表3之中。

表3 9- 3012 巷道富水性區域段錨桿（索）錨固力檢測結果

由表3 中的測試數據可知非淋水區段巷道頂板錨桿錨固力、左幫錨桿錨固力、右幫錨桿錨固力與淋水區段的巷道相比分別高出其值30.2%、4.7%以及5%，非淋水區段巷道錨索的錨固力與淋水區段巷道的相比則高出其值25.3%。由此可知頂板錨桿（索）的錨固力受淋水影響出現了一定程度的下降，幫錨桿的錨固力受淋水現象的影響較小。

4 巷道破壞原因分析

通過上述分析，可將淋水段巷道的變形破壞原因歸結為如下幾點：

1）頂板水主要來源于大氣降水以及附近河流的水流補給，同時巷道頂板深部存在著富水性較弱的灰巖含水層，而該段巷道頂板圍巖條件較差，在掘進擾動等因素影響下裂隙易發育，進而形成導水裂隙。

2）巷道直接頂中有一層2.5m 厚的泥巖，該巖層強度偏低，且礦物組分測試結果表明頂板圍巖中含有較多的白云母、高嶺石，遇水易膨脹軟化，加速了巷道的變形破壞。

3）頂板錨桿（索）的錨固力受淋水影響下降明顯，不能對頂板形成有效的支護。

4）巷道整體的支護強度偏低，幫部圍巖不能對頂板形成較強的承載作用，同時頂板淺部圍巖在錨桿（索）的作用下不能進行有效的加固組合。

5）沒有對頂板水進行及時排放。

5 治理措施研究

1）為了更好的對頂板含水層中的水以及裂隙水進行排放，在掘進過程中布置疏水鉆孔，疏水鉆孔呈扇形布置，鉆孔垂距不高于1.5m，鉆孔平距為3m，疏水孔的直徑為75mm。為了對頂板巖層中的水進行充分排放，疏水孔在淺部、深部交替布置，依據裂隙帶的發育高度以及含水巖層的位置，疏水孔孔深最深為60m，其次為50m，最淺則為30m，鉆孔與巷道軸向的夾角處于20°～60°范圍內，止水套管則采用硬PVC 管，具體的疏水孔布置示意圖如圖3 所示。

圖3 疏水鉆孔布置示意圖

2）對巷道的原支護方案進行相應優化，其中頂板錨桿在原方案的支護基礎上排距縮短至900mm，長度加長至2500mm，直徑加粗至22mm。錨索長度則加長至7000mm，直徑加粗至21.6mm，排距縮減至900mm。幫部錨桿每排布置4 根，間排距縮減為800mm×900mm，錨桿型號同頂板一致，在支護過程中錨桿預緊力統一提高至85kN，錨索預緊力提高至160kN，優化后的巷道支護斷面如圖4 所示。

圖4 優化后的巷道斷面支護圖

3）在掘進過程中若遇到頂板破碎帶，可采取注漿加固的措施對其進行治理，注漿材料可選用馬麗散，該材料具有粘度低、滲透性強、抗壓性能高，反應后形成泡沫不易溶于水等優點，能夠快速的封堵裂隙水，注漿壓力不宜超過3MPa，注漿孔深度以及直徑視具體情況而定。

4）巷道通過富水性區域后支護方案可采用原支護方案。

6 工程監測

治理措施實施后在新掘的巷道段中選取合適的位置布置測站，對其圍巖變形進行了為期30 天的現場監測，監測結果顯示9- 3012 巷道在治理措施治理下兩幫移近量僅有74mm，頂板下沉量僅有56mm，單個錨索眼水量由原來的7.8m3/h 下降至1.5m3/h，減少了80.8%，頂板涌水量較大的現象得到了有效控制，巷道圍巖穩定性顯著提升。

7 結 論

1）淋水段巷道直接頂泥巖強度偏低，裂隙發育，且頂板圍巖含有較多的白云母、高嶺石，吸水易膨脹、軟化，錨桿（索）錨固力受淋水影響下降明顯，巷道整體支護強度偏低，不能形成有效的支護結構，在上述因素的共同影響下巷道圍巖破壞嚴重。

2）針對巷道的變形破壞原因，本文提出了相應的治理措施，工程監測結果表明新掘巷道在治理措施的治理下圍巖變形較小，頂板淋水較大的現象得到了有效抑制，滿足礦井的正常安全生產。