臺(tái)頭前灣煤礦富水頂板巷道圍巖控制技術(shù)研究

郭曉輝

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

臺(tái)頭前灣煤礦2S202 綜采工作面位于2#煤層，煤層厚度2.8～3.38 m，平均為3 m，傾角為3°～8°，平均為5°。煤層含0～2 層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

2S202 綜采工作面目前在掘進(jìn)運(yùn)輸順槽，長(zhǎng)度935 m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬4.5 m，凈高3.0 m，沿煤層底板掘進(jìn)。根據(jù)綜合物探分析，2 號(hào)煤層以上40～60 m 為K8 砂巖含水層，鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量0.000 127 L/s·m，屬于弱富水含水層。而煤層頂板為泥巖和粉砂巖組成的弱膠結(jié)層，其受水影響后的強(qiáng)度將大幅度降低，因此，需采取一定措施保證2S202 運(yùn)輸巷淋水區(qū)域的穩(wěn)定性[1-5]。

1.2 圍巖礦物組分分析

水對(duì)2S202 運(yùn)輸巷弱膠結(jié)頂板的破壞作用主要體現(xiàn)在微觀結(jié)構(gòu)上，因此，采用室內(nèi)XRD 衍射儀對(duì)頂板的礦物組分進(jìn)行明確。通過試驗(yàn)得出，2S202 運(yùn)輸巷頂板圍巖中的主要礦物成分及含量如下：伊蒙混層7.5%，伊利石6.9%，蒙脫石8.8%，石英13.6%，綠泥石22.5%，高嶺石33.2%。高嶺石的吸水性極強(qiáng)，蒙脫石與伊蒙混層遇水后會(huì)劇烈變形膨脹，因此，高嶺石吸水后造成頂板圍巖含水量逐漸上升，而圍巖中的蒙脫石及伊蒙混層在富水環(huán)境下劇烈膨脹，從而引起頂板中泥巖崩解。同時(shí)，綠泥石極易風(fēng)化，頂板泥巖遇水崩解后造成圍巖孔隙裂隙增多，進(jìn)而導(dǎo)致頂板在水化及風(fēng)化作用下發(fā)生嚴(yán)重變形。

2 巷道頂板弱化規(guī)律分析

2.1 數(shù)值模型建立

基于2S202 運(yùn)輸順槽實(shí)際地質(zhì)條件，采用COMSOL 數(shù)值模擬軟件建立模型，模型高70 m，寬90 m。在模型頂部施加一定的均布載荷模擬上覆巖層重力，模型兩側(cè)及底部為不可流動(dòng)的滲流邊界，巷道開挖斷面為寬×高=4.5 m×3.0 m，巷道四周為可流動(dòng)滲流邊界。模擬中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬中頂板支護(hù)強(qiáng)度分別為無支護(hù)、0.2 MPa及0.4 MPa，并分析各支護(hù)強(qiáng)度在頂板不同含水率下對(duì)圍巖的控制效果，其中頂板含水率分別為3%、4%、5%、6%。模擬結(jié)果如圖1。

圖1 不同狀態(tài)下巷道頂板位移云圖

由圖1 可知，頂板的下沉量隨著含水率的增加而增加，說明弱膠結(jié)頂板的強(qiáng)度受水化作用影響大幅度降低，而支護(hù)強(qiáng)度的提高可以防止頂板的進(jìn)一步變形。

富水頂板在不同狀態(tài)下的最大下沉量如圖2。由圖2 可知，巷道不進(jìn)行支護(hù)的條件下，頂板含水率為3%時(shí)的頂板最大下沉量為62 mm，含水率為6%時(shí)的頂板最大下沉量為240 mm，較3%頂板含水率時(shí)增加了78.3%；巷道支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa 的條件下，頂板含水率為3%及6%時(shí)的頂板最大下沉量分別為33 mm、121 mm，較無支護(hù)條件下的最大下沉量分別降低了46.8%、49.6%。

圖2 不同狀態(tài)下巷道頂板下沉量

由此可見，影響巷道變形的首要因素為頂板含水率，其次是支護(hù)強(qiáng)度。因此，在進(jìn)行巷道圍巖控制時(shí)，需先進(jìn)行頂板的防治水處理，降低水對(duì)頂板軟巖的弱化程度，其次針對(duì)性地加大支護(hù)強(qiáng)度，從這兩個(gè)方面入手保證頂板富水巷道的穩(wěn)定性。

3 富水頂板穩(wěn)定性控制方案

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出“錨索保水注漿+布置巷道疏水孔+錨噴支護(hù)”的富水頂板巷道圍巖控制方案。

3.1 錨索保水注漿

通過對(duì)錨索孔注漿，可以實(shí)現(xiàn)頂板小范圍的保水效果，如圖3 所示。施工步驟為：打錨索孔→安裝錨索→安設(shè)注漿錨桿→張緊錨索→注漿。在注漿錨桿安設(shè)好后，需采用封泥等材料對(duì)孔口進(jìn)行封堵處理。對(duì)錨索孔進(jìn)行保水注漿處理的目的主要為：（1）注漿后提高了圍巖的完整性，裂隙大部分閉合，使得頂板中的流動(dòng)水變?yōu)殪o態(tài)；（2）漿液可以保護(hù)錨索不受水的腐蝕影響，保證了其支護(hù)強(qiáng)度；（3）錨索進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，并通過張緊提高了對(duì)圍巖的控制效果。

圖3 錨索保水注漿示意圖

3.2 布置巷道疏水孔

在2S202 運(yùn)輸巷地勢(shì)相對(duì)較低的地方每隔100 m 布置一個(gè)鉆機(jī)窩子，其尺寸為：深×寬×高=3. 5 m×4. 0 m×4. 3 m，并在鉆機(jī)窩子內(nèi)布設(shè)蓄水池及疏水孔，如圖4。

圖4 疏水孔布置示意圖

其中，1#疏水孔為加強(qiáng)疏水孔，孔位朝向與巷道掘進(jìn)方向呈135°夾角，鉆孔深度100 m，向上仰斜50°施工，主要用于疏放掘進(jìn)面后方的頂板水。2#疏水孔為超前預(yù)疏水孔，其孔位朝向與巷道掘進(jìn)方向呈45°夾角，鉆孔深度及仰角與1#孔一致，主要用于疏放掘進(jìn)面前方的頂板水。兩個(gè)孔配合疏水，可使得頂板含水率大幅降低。

3.3 錨噴支護(hù)

為改善巷道的淋水環(huán)境，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行錨噴支護(hù)，對(duì)掘進(jìn)工作面迎頭先預(yù)噴混凝土漿50 mm，隨后掛網(wǎng)并打錨桿，再進(jìn)行50 mm 的復(fù)噴，噴漿厚度總計(jì)100 mm。

頂錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2200 mm 的高強(qiáng)度無縱筋螺紋鋼錨桿，間距800 mm，排距800 m，每排打6 根，靠近巷幫肩窩處的2 根錨桿向外傾斜20°施工；頂錨索為Φ20. 6 mm×6800 mm，錨索孔采用小孔徑，并配套注漿鎖具，間排距1400 mm×1600 mm，每排3 根；幫錨桿材質(zhì)與頂錨桿一致，間排距為800 mm×800 mm，靠近頂板的幫錨桿向上與水平線夾角20°施工，靠近底板的幫錨桿向下與水平線夾角20°施工。巷道平面支護(hù)如圖5。

圖5 巷道平面支護(hù)圖（mm）

4 支護(hù)效果分析

為分析評(píng)價(jià)圍巖控制方案的效果，采用十字布點(diǎn)法對(duì)淋水段巷道圍巖的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6。

由圖6 可知，巷道掘進(jìn)通過頂板富水區(qū)初期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形速度較快，且頂?shù)装宓囊七M(jìn)速度相對(duì)高于兩幫；監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形于35 d 后趨于平穩(wěn)，其頂?shù)装遄畲笠平考s為50 mm，兩幫最大移近量約為40 mm，圍巖變形量較小，滿足礦井安全生產(chǎn)需求。說明該方案取得了良好的圍巖控制效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論

（1）臺(tái)頭前灣煤礦2S202 運(yùn)輸順槽頂板為弱膠結(jié)巖層，礦物成分中含有大量的蒙脫石、伊蒙混層及綠泥石，在水化、風(fēng)化作用下極易膨脹變形，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度大幅降低。

（2）通過數(shù)值模擬得出，影響巷道變形的首要因素為頂板含水率，其次是支護(hù)強(qiáng)度，可從這兩個(gè)方面入手保證頂板富水巷道的穩(wěn)定性。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)條件，提出了“錨索保水注漿+布置巷道疏水孔+錨噴支護(hù)”的富水頂板巷道圍巖控制方案，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中取得了良好的控制效果。