頂板淋水巷道圍巖控制技術研究

張玉偉

【摘 要】 文章針對頂板淋水導致巷道圍巖松軟、支護體系強度降低、圍巖變形量過大問題，在對頂板淋水對圍巖變形影響分析基礎上，提出含水層疏排+導水裂隙封堵+強化巷道支護等方式控制頂板淋水段巷道圍巖變形，現場應用取得顯著效果。取得主要結論為：1）2506運輸巷頂板直接頂以泥巖為主，在頂板淋水作用下直接頂出現砂化、泥化，強度及承載能力顯著降低且淋水作用下原有的錨網索支護體系強度降低，因此降低頂板淋水、封堵導水裂隙以及提升圍巖支護強度是控制頂板淋水巷道圍巖變形關鍵;2）在頂板淋水區域掘進時采用超前疏排水鉆孔對頂板裂隙水進行疏排，增加錨桿（索）錨固長度、圍巖注漿、巷道表層噴漿等方式封堵導水裂隙并降低淋水量可為圍巖支護創造良好條件;3）通過加密錨桿、增加錨索長度以及錨桿索預緊力，來提升淋水段巷道圍巖支護強度，提高圍巖穩定性，現場應用后，淋水段巷道頂底板、巷幫變形量分別控制在49mm、40mm以內，取得較好圍巖控制效果。

【關鍵詞】 巷道掘進;圍巖控制;頂板淋水;導水裂隙;封堵;錨網索支護

【中圖分類號】 TD322 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0019-03

本文采用現場實測以及理論分析技術手段對頂板淋水巷道圍巖變形原因及控制技術展開分析，以期能在一定程度上提升頂板淋水巷道圍巖控制效果。

1工程概況

山西某礦2506工作面主采的5#煤層厚度平均3.0m、埋深226m、傾角2～7°。2506運輸巷設計掘進距離為840m，沿5#煤底板掘進，斷面矩形（凈高、凈寬分別為3.0m、4.5m），具體巷道位置關系見圖1所示。

5#煤層頂板以泥巖、石灰巖為主，其中頂板石灰巖中含有一定量的裂隙水。巷道2506運輸巷掘進至520m位置時頂板出現不同程度淋水，圍巖變形嚴重，給巷道使用以及后續掘進安全帶來嚴重隱患。

2頂板淋水巷道圍巖變形分析

頂板淋水導致巷道圍巖變形量增加的主要原因是在水作用下巷道圍巖出現一定程度的破壞，受水侵蝕弱化后，圍巖變形前期以軟弱圍巖擴容為主，后期變形向圍巖深部轉移，頂板出現一定離層。在水的作用下圍巖強度降低，導致頂板失穩。根據礦井水文地質資料并結合水對巖層弱化作用，分析2506運輸巷在頂板淋水區域圍巖失穩的主要原因為：

受巷道掘進影響圍巖應力重新分布，在掘進影響范圍內煤巖體裂隙擴展。巷道掘進至頂板富水區域時，圍巖裂隙與頂板裂隙水含水層連通，從而導致頂板出現一定程度淋水。

2506運輸巷直接頂以泥巖為主，在水的作用下砂質泥巖力學性質發生改變的同時出現一定的膨脹變形，隨著時間增加導水巷道直接頂出現嚴重的砂化、泥化現象，頂板強度及剛度顯著降低，見圖2（a）。

在頂板淋水侵蝕作用下錨桿、托盤等均出現嚴重銹蝕，承載力降低，錨固性能降低，部分錨桿、錨索甚至出現脫落問題，從而導致錨桿支護體系完整性及整體性遭到破壞，見圖2（b）。

在頂板淋水影響下，圍巖強度及穩定性有所降低，導致原有的支護系統強度降低或者部分失效，從而引起巷道頂板、巷幫出現嚴重變形，部分區域出現懸頂以及煤壁片幫等安全風險，見圖2（c）。

3巷道圍巖控制技術

通過分析頂板淋水巷道圍巖變形原因，為了確保巷道圍巖穩定，首先應降低淋水對巷道圍巖弱化作用。在巷道掘進過程中采用合理的防治水措施從本質上可降低淋水對圍巖弱化;在巷道支護時采用高強支護材料對圍巖進行強支護，通過調整圍巖受力狀態可控制圍巖破壞范圍，從而有效控制圍巖變形。為此，提出合理布置疏排水鉆孔+巷道圍巖注漿+高預應力錨網索支護等綜合手段控制淋水段巷道圍巖變形。

3.1疏排水

根據2506運輸巷水文地質資料，判定頂板淋水水源為5#煤層上覆石灰巖裂隙水。受巷道掘進影響，圍巖中產生的裂隙與裂隙水含水層及采空區聯通，通過合理布置疏排水鉆孔可在一定程度上降低巷道頂板淋水

在2506運輸巷掘進過至富水區域時布置的疏排水鉆孔呈扇形，對頂板裂隙水含水層預先進行疏排，具體疏排水鉆孔布置見圖3，鉆孔平距為3m，垂距為1.5m。鉆孔布置傾角介于60～70°，孔徑為75mm，鉆孔終孔均在頂板石灰巖內。

3.2巷道圍巖隔水

為降低淋水對圍巖弱化影響，提升圍巖穩定性，提出封閉錨桿（索）鉆孔、圍巖注漿加固以及巷道表層封閉等技術對圍巖進行隔水。

封閉錨桿（索）鉆孔。錨桿（索）錨固時采用的樹脂錨固劑具有速凝特點，通過增加2506運輸巷布置的錨桿（索）錨固長度，可達到封堵錨桿（索）鉆孔目的，減少錨桿（索）與頂板裂隙水含水層間水力聯系并提升錨桿（索）支護效果。

圍巖注漿加固。巷道在頂板富水區域掘進時，通過注漿方式封堵圍巖裂隙，從而降低裂隙水給圍巖錨桿（索）影響并提升圍巖承載能力。由于2506運輸巷頂板巖層中含有方解石、高嶺石等黏土礦物，因此選用的注漿加固材料應具備快速凝結、疏水性以及無滲水等特點。為此，注漿材料選用馬麗散，注漿壓力為3～5MPa。

表層噴漿。巷道掘進完成后即噴射厚度50mm的C20混凝土，支護完成后再次噴射，從而封閉巷道表層裂隙，減少頂板淋水。

3.3高預應力錨網索支護

2506運輸巷斷面為矩形（凈寬×凈高=4500mm×3000mm），具體支護設計見圖4。

頂板支護采用規格φ20mm×2400mm螺紋鋼錨桿、規格φ17.8mm×6300錨索進行支護。錨桿間排距均為1000mm，兩側角錨桿均外插15°角，采用1支CK2360錨固劑錨固錨桿頂端、1支k2350錨固劑錨固錨桿尾端;錨索間排距均為2000mm，布置在兩排錨桿中間，采用兩支CK2360錨固劑錨固錨鎖頂端，4支k2350錨固劑錨固錨索尾端。

為了便于回采，在采面幫采用φ20mm×2000mm玻璃鋼錨桿支護，每排3根，間距為1250mm、排距為1000mm，上下兩根錨桿均外插30°;在煤柱幫采用φ20mm×2000mm螺紋鋼錨桿支護，每排4根，間距為850mm、排距為1000mm，上下兩根錨桿均外插30°。巷幫錨桿均采用1支CK2360錨固劑錨固錨桿頂端、1支k2350錨固劑錨固錨桿尾端。

此外在頂板鋪設10#鐵絲網（規格4000mm×1100mm）、鋼筋梯子梁（規格φ14mm×3800mm）提升錨桿（索）支護效果;在巷幫鋪設的10#鐵絲網、鋼筋梯子梁規格分別為3000mm×1100mm、φ14mm×2800mm。

4圍巖控制效果分析

在巷道掘進過頂板淋水區域時，布置測站對圍巖控制效果進行監測，具體結果見圖5。

從圖中看出，巷道初期掘進期間（0～20d）內，受掘進影響，巷道圍巖變形量較大且以頂底板變形為主，其中頂底板在掘進支護完成10d內變形量達到39.3mm、巷幫為23.5mm;巷道支護完成30d后，巷道圍巖變形基本趨于穩定。支護5d后頂底板、巷幫變形量增加速度達到峰值，分別為5.4mm/d、3.3mm/d，支護16d后頂底板、巷幫變形量增加速度分別降低至0.53mm/d、0.50mm/d，支護完成30d后頂底板、巷幫變形量增加速度分別降低至0.043mm/d、0.123mm/d。在監測期間頂底板、巷幫最大變形量分別為49mm、40mm，圍巖變形在允許范圍內，表明文中所提頂板淋水巷道圍巖控制技術效果顯著。

5結論

頂板淋水是制約2506運輸巷掘進安全的主要安全風險，在頂板淋水作用下巷道圍巖弱化、錨網索支護體系強度降低，從而導致圍巖變形量增加。

提出采用疏排水、封堵錨桿（索）鉆孔、巷道表層噴漿以及強化圍巖支護等措施控制巷道圍巖變形。現場應用后，在頂板淋水段巷道頂底板、巷幫變形量分別控制在49mm、40mm以內，取得顯著圍巖控制效果。

【參考文獻】

[1]陳曉強.淋水砂巖頂板巷道穩定性與控制技術研究[J].山西焦煤科技，2020，44（10）：37-40.

[2]郝海濤.龐龐塔煤礦回采巷道頂板防治水技術研究[J].煤礦現代化，2020（5）：111-113，116.

[3]王飛.頂板含水巷道掘進過斷層時的圍巖綜合控制[J].山東煤炭科技，2019（12）：76-77，86.

[4]姚強嶺，李學華，瞿群迪.富水煤層巷道頂板失穩機理與圍巖控制技術[J].煤炭學報，2011，36（1）：12-17.

[5]陳鋼林，周仁德.水對受力巖石變形破壞宏觀力學效應的實驗研究[J].地球物理學報，1991（3）：335-342.

[6]楊天鴻，唐春安，朱萬成，等.巖石破裂過程滲流與應力耦合分析[J].巖土工程學報，2001（4）：489-493.

[7]張經緯.碎頂巷道架棚支護向新型錨網索支護轉換的研究[J].機械管理開發，2018，33（12）：168-169，187.

[8]張家貴.淋涌水型碎裂頂板淋水量測定及支護設計[J].煤炭與化工，2015，38（12）：60-62.

[9]郭亞欣，宋選民.積水空區下淋水頂板圍巖穩定性控制技術研究[J].礦業研究與開發，2019，39（12）：73-79.

[10]何富連，李曉斌，朱恒忠，等.頂板淋水對巷道圍巖變形破壞的影響及防治[J].煤礦安全，2019，50（6）：162-165，171.

[11]安彥霖.頂板富水條件下巷道掘進支護技術研究[J].煤礦現代化，2019（4）：35-37，40.