黑龍煤礦淋水軟巖巷道底鼓控制技術研究

王少偉

（潞安化工蒲縣黑龍煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

1 工程概況

1.1 工作面概況

黑龍煤礦2202 運輸順槽所掘9+10+11 號煤，賦存于石炭系太原組地層下段上部，在本工作面范圍內，煤層厚度穩定，9 號煤與10+11 號煤之間有一層夾矸較厚為1.6～1.8 m，平均1.7 m。根據鉆孔ZK605 分析，該工作面夾矸厚度2.5 m，局部區域10 號與11 號煤之間有一層0.3 m 的夾矸。9 號煤平均厚度0.7 m，10+11 號煤平均厚度4.9 m。根據鉆孔ZK605 和相鄰已掘巷道分析該工作面煤層厚度約5.4 m。煤層頂底板巖性情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

2202 運輸順槽作為2202 采面的運輸系統，正巷道方位角34°，巷道坡度沿11#煤層底板掘進。北邊為礦界，南邊為已掘+1023 m 水平軌道大巷、+1023 m 水平運輸大巷，西面為實體煤，東邊為設計的2202 回風順槽。2202 運輸順槽設計長度647 m，設計斷面為矩形，寬5 m，高3 m。

1.2 水文地質條件

2202 運輸順槽巷道在掘進過程中，9+10+11 號煤層上部為太原組K2、K3、K4 灰巖含水層，富水性屬弱～中等富水性含水層，遇地質構造影響，可能存在裂隙導水；巷道上方存在2 號煤層采空區，根據相鄰巷道涌水量變化分析涌水量約3～10 m3/h，最大涌水量30 m3/h。巷道通過富水異常區時頂板易淋水，導致軟巖底板發生較嚴重的變形破壞。

1.3 地質構造情況

根據地面三維地震和勘探資料及相鄰+1023 m水平軌道大巷、運輸大巷、2201 工作面掘進揭露煤巖層情況解釋，2202 運輸順槽掘進方向附近存在DF5 斷層，對圍巖穩定性有一定影響。

2 巷道底鼓機理分析

2.1 數值模型建立

基于2202 運輸順槽的實際地質條件，采用UDEC 數值模擬軟件建立模型，模型高50 m，寬70 m。在模型頂部施加一定的均布載荷模擬上覆巖層重力，模型兩側及底部約束位移，巷道開挖斷面為寬×高=5.0 m×3.0 m。模擬中各巖層的物理力學參數按表2 賦予。

表2 煤巖體物理力學參數

2.2 模擬結果分析

1）巷道圍巖位移分析

模擬時，設置巷道圍巖應力釋放系數β為0 到1，間隔增長值為0.2，來模擬巷道開挖的過程。當β到1 時，表示圍巖已處于穩定狀態。巷道開挖過程中圍巖的位移情況如圖1，圖1 中測點P1、P2、P3、P4 分別監測巷道的頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量及右幫移近量。

圖1 巷道圍巖位移情況

由圖1 可知，巷道開挖初期，圍巖變形量快速上升，尤其是巷道兩幫的變形增速較快，其次為底板及頂板；當應力釋放系數超過0.4 后，圍巖的變形轉變為以底鼓為主，底板的變形增速超過了巷幫；當應力釋放系數達到1.0 時，即圍巖穩定后，P2 測點即底板的變形量最大為0.43 m，其次為P3、P4測點（巷道兩幫），變形量分別為0.30 m 及0.28 m，P1 測點（頂板）的變形量最小為0.11 m。

提取巷道底板9 m 范圍內的位移量進行分析，由圖2 可以看出，底板巖層的位移量隨著深度的增加快速減小。當深度到3 m 后，巖層的位移逐漸趨于穩定，不再隨著深度的增加而有明顯的降低趨勢。因此，可以判定巷道底板的破壞深度已達到了3.0 m，在頂板淋水的影響下，底板破壞深度還會進一步的增加。

圖2 底板位移隨深度的變化

2）巷道圍巖破壞模式分析

圖3 為巷道開挖后圍巖裂隙的分布特征。由圖3 可知，巷道開挖后圍巖的破壞模式以拉伸破壞和剪切破壞為主，其中拉伸破壞主要集中在底板圍巖淺部，剪切破壞集中在底板圍巖深部；巷道兩幫也存在一定深度的拉伸破壞及剪切破壞，而頂板的裂隙分布較少。

圖3 巷道圍巖裂隙分布特征

3 圍巖控制技術[1-4]

3.1 新型防水錨固劑

在頂板淋水的影響下，普通錨固劑的錨固力僅能達到無淋水條件下的40%左右，不能充分發揮錨桿（索）的支護性能，因此考慮采用新型防水錨固劑進行支護。

在井下對傳統樹脂錨固劑及新型防水錨固劑的錨固性能進行了對比測試，采用Φ20 mm 的螺紋鋼錨桿，錨固長度均為600 mm。結果表明：在頂板淋水的條件下，樹脂錨固劑的錨固力僅為72.3 kN，而新型防水錨固劑的錨固力達到了197.5 kN。采用防水錨固劑可有效避免水對頂板、兩幫支護結構的影響，并解決了底板積水對錨索錨固性能的影響。

3.2 圍巖支護方案

1）頂板支護

頂板支護每排均采用Ф20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿6 根，間排距為900 mm×1000 mm，網片采用10#鉛絲網，網孔規格50 mm×50 mm，每根錨桿采用2 支新型防水錨固劑；錨索采用Ф18.9 mm×6300 mm 的鋼絞線，錨索間排距2000 mm×2000 mm，采用2-0-2 矩形布置，每根錨索采用1 支Z2360 和2 支防水錨固劑進行錨固，保證其錨固力不低于150 kN，錨索托盤采用16 mm 厚300 mm×300 mm 的鋼板。

2）兩幫支護

巷道左幫支護采用Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，網片采用10#鉛絲網，網孔規格50 mm×50 mm；右幫支護采用Ф20 mm×2000 mm玻璃鋼錨桿，網片采用尼龍網。兩幫錨桿間排距均為1200 mm×1000 mm，每排6 根錨桿，每根錨桿采用2 支新型防水錨固劑錨固。

3）底板支護

在巷道淋水區域，底板采用注漿防腐錨索進行支護。注漿錨索的鉆孔直徑為50 mm，錨索直徑為21.6 mm，長度為6300 mm，間距為1500 mm，排距為2000 mm。每根錨索先采用2 支防水錨固劑進行端部錨固，然后安裝鉛絲網及Φ14 mm 的單筋梯子梁，并張拉至150 kN，隨后采用水泥漿及水玻璃的混合漿液進行全長錨固。

4 應用效果分析

為分析評價圍巖控制方案的效果，采用十字布點法對淋水段巷道圍巖的變形進行監測，監測結果如圖4。由圖4 可知，巷道掘進通過頂板富水異常區初期，監測點的圍巖變形速度較快，并于65 d 后趨于平穩。其中，頂板最大下沉量約為16 mm，底鼓量最大為24 mm，兩幫最大移近量約為33 mm，圍巖變形量均在允許變形范圍內，說明該方案取得了良好的圍巖控制效果，保證了巷道的安全高效掘進。

圖4 巷道表面位移監測曲線

5 結論

1）通過數值模擬分析了2202 運輸順槽的圍巖位移及破壞形式，得出其底板最大破壞深度達到了3.0 m，且拉伸破壞主要集中在底板圍巖淺部，剪切破壞集中在底板圍巖深部。

2）根據現場實際情況及數值模擬分析結果，提出采用新型防水錨固劑進行錨桿索的錨固，并設計了頂板、兩幫及底板的支護方案。

3）井下應用結果表明：巷道掘進通過頂板富水異常區時，頂板最大下沉量約為16 mm，底鼓量最大為24 mm，兩幫最大移近量約為33 mm，圍巖變形量較小，有效解決了淋水軟巖底板的控制難題。