3025 運輸巷道頂板淋水超前治理技術研究

張 昭

（晉能控股煤業集團大西煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程研究背景

煤巖體長時間淋水會產生軟化、膨脹等物理變化，使煤巖體的強度降低，發生非線性塑性變形，使其承載能力和穩定性變差[1-3]。煤礦井下經常會遇到頂板淋水的問題，致使頂板軟化導致支護失效，容易在采動影響下發生冒頂等事故，對巷道安全穩定性產生不利影響[4-5]。

大西礦3025 工作面回采3#煤，煤層的平均厚度約為2.82 m。3025 運輸順槽布置在3#煤層中，沿頂板掘進。3025 順槽為矩形斷面，斷面寬度為5.5 m，高度3.5 m，巷道以錨網（索）支護方式為主。3025 運輸順槽掘進至250 m 處頂板出現淋水，頂板淋水情況如圖1。

圖1 實際頂板淋水特征

由圖1 可知，頂板淋水主要從錨桿或錨索孔隙中流出，長期會腐蝕金屬網等。淋水量較大的地方頂板煤體會出現明顯的軟化現象，已經與頂板剝離，隨著淋水持續，會加劇頂板圍巖的破碎。

從頂板沿裂隙滲出的地下水來自山西組砂巖中的含水層，是3#煤頂板滲水的主要來源。通過結合地質、物探的結果發現，在巷道250～380 m 處存在K8 低阻富水異常區，預計涌水量為30 m3/h。因此，需要展開頂板淋水的超前治理，防止頂板水害造成安全事故。

2 頂板淋水破壞機理分析

分析頂板淋水破壞機理能為巷道支護設計提供指導。因此，根據實際地質參數，利用FLAC3D有限元模擬軟件展開相應的數值模擬研究。模型中煤層厚度為2.8 m。直接頂為粉砂質泥巖，厚度3.1 m；老頂為灰色細砂巖與泥巖互層，平均厚度9.6 m；直接底為泥巖，厚度6.5 m；老底為粉砂巖和泥巖互層，厚度5.5 m。數值模型選擇應變軟化本構模型，邊界上部施加垂直應力3.6 MPa，施加水平應力為4.52 MPa。將模型的左右和底面設定為固定邊界。模型中的巖石參數見表1。

表1 煤巖體數值模型參數

根據數值模擬結果可知，巷道開挖引起圍巖應力的重新分布。總體來說，兩幫應力呈現先增大后減小的趨勢，最大水平應力的應力集中區主要在巷道底板。通過對比有淋水和無淋水巷道的應力分布可知：頂板無淋水時，最大垂直應力為3.8 MPa；頂板有淋水時，垂直應力增大為5.3 MPa，應力增長幅度為39.5%。最大水平應力則從6.8 MPa 增長至8.1 MPa，增長幅度為19.1%。

由上述結果分析可知，頂板淋水后煤巖體發生軟化，強度降低并發生膨脹，進而加劇了應力集中現象，對最大垂直應力的分布影響較大。

頂板有、無淋水影響下巷道塑性區的分布情況如圖2。

圖2 頂板淋水模型塑性分布特征

從圖2 可知，巷道頂板淋水對巷道頂板的塑性區影響最大，對兩幫和底板的影響較小。頂板未受淋水影響時，巷道頂板塑性區最深部為1.8 m，兩幫塑性區最大深度為1.5 m。頂板受裂隙水影響后，塑性區最大深度變為3.6 m，兩幫塑性區最大深度基本不變，底板塑性區的范圍基本不變。因此，對于巷道頂板淋水問題，重點要針對巷道頂板圍巖的加固控制，解決巷道頂板的應力集中和塑性變形。

3 淋水巷道圍巖控制方案

3.1 淋水巷道注漿思路

發現巷道淋水時，需要探測主要水源，并分析淋水對巷道的影響范圍，隨后針對性地展開方案設計。目前針對巷道淋水的主要控制方式是注漿堵水，通過封堵導水裂隙來解決巷道淋水的問題，主要工藝流程及治理思路如圖3。

圖3 淋水巷道圍巖控制思路

如圖3 所示，當頂板出現淋水時，首先要鉆孔探測隔水層的位置。如果隔水層厚度大于2.6 m，則可以采用注漿加固的方法，由注漿材料充填導水裂隙，解決頂板淋水問題。如果注漿效果差，那么要采用層次注漿加固的辦法，先對風化嚴重的淺部圍巖注漿加固，隨后展開深部隔水層的注漿堵水。

3.2 淋水巷道注漿加固方案

根據地質勘探可知，巷道頂板淋水的主要水源是砂巖裂隙含水層，即為巷道的老頂，故而注漿加固的主要區段是在直接頂以及老頂的中下部。由于直接頂主要為泥巖，巖性較軟，注漿加固難以展開，因此注漿加固方案設計著重于老頂的下部，將直接頂部分作為封孔段處理。具體的注漿鉆孔布置如圖4。

如圖4 可以看出，巷道頂板布置3 排鉆孔，中間鉆孔垂直于頂板，沿著巷道中線布置，兩邊鉆孔距離中間鉆孔2000 mm，仰角為75°，距離兩幫各750 mm，注漿鉆孔全長6000 mm。封孔段設計為2000 mm，主要根據直接頂厚度設計。注漿段設計為4000 mm，為老頂的中下部。兩幫各設計兩排注漿孔，上排注漿鉆孔仰角20°設計，與下排注漿鉆孔垂直距離1500 mm，鉆孔深度為2500 mm，封孔長度300～500 mm。注漿孔沿巷道走向軸向，按照間距為5 m 平行布置，頂板共施工鉆孔78 個，兩幫共計128 個。

圖4 淋水巷道注漿鉆孔布置圖

頂板的封孔主要采用“兩堵一注”的工藝，封孔管兩端各纏繞300～500 mm 長的棉花等防漏漿材料，中間段展開注漿加固。兩幫注漿孔的封孔則是在孔口處用棉花等材料封堵300～500 mm 即可。封孔材料采用礦方的無機單液加固材料，水灰比為1.0:1，封孔注漿壓力設計為3 MPa。

注漿段材料與封孔段注漿材料一致，水灰比設計為0.8:1，注漿壓力設計為5～8 MPa，漿液可以在15 min 內初凝，注漿材料能夠快速充填圍巖裂隙，起到良好的堵水效果。

注漿加固按照先兩幫后頂板的次序展開，可以有效提高巷道中上部分圍巖的注漿加固效果，注漿過程中出現漏漿等情況可適當減小注漿壓力，待淺部圍巖漿液凝固后繼續展開注漿堵水。

3.3 淋水巷道超前堵水效果分析

注漿加固結束后，在淋水巷道段的中部，選擇注漿孔旁側完好頂板展開鉆探。主要是通過鉆孔窺視和淋水量統計兩方面分析頂板堵水效果。

（1）注漿效果分析。注漿堵水效果好壞主要由漿液能否填充頂板圍巖裂隙、封堵導水裂隙所決定。因此首先展開鉆孔窺視，觀察漿液與頂板淋水圍巖的膠結狀態，如圖5。

鉆孔窺視的長度為6 m，從圖5 可以看出，鉆孔內孔壁整體光滑，煤巖體中的裂隙被漿液充填，漿液能夠較好地與煤體膠結。

圖5 鉆孔窺視結果

（2）巷道淋水量統計。多數鉆孔在鉆進過程中未見淋水情況，其中部分錨桿索孔周圍仍出現淋水情況，推測是由于錨桿索加固的松動圈范圍大于注漿加固的范圍，即錨桿索長度大于6 m。針對這一情況，在出現淋水現象錨桿索孔的附近補打注漿鉆孔，展開補充注漿堵水。

對淋水段巷道超前治理過后，在巷道掘進過程中觀測巷道頂板的淋水情況。原有的淋水情況完全消失，只有部分錨索孔位置有微小的滴水現象。根據統計可知，注漿堵水段的巷道總體的淋水量小于1 m3/h，對巷道安全掘進沒有影響。

4 結論

（1）針對3025 運輸順槽頂板淋水問題，利用數值模擬，分析了頂板淋水對巷道應力和塑性區分布的影響。

（2）根據巷道塑性區分布，設計了淋水巷道注漿加固方案，并在錨索孔淋水處適當補強。注漿結束后，通過鉆孔窺視和淋水量統計可知，頂板裂隙充填效果良好，巷道最大淋水量為1 m3/h，注漿堵水效果良好。