頂板富水條件下巷道掘進支護技術(shù)研究

安彥霖

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西方山033100）

1 工程背景

某礦現(xiàn)主采8號煤層，煤層平均厚度為2.75m，111801工作面為該礦首采工作面，工作面兩條順槽頂?shù)装鍘r層主要以砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，該類巖層膠結(jié)性差，圍巖強度較低，遇水后容易發(fā)生軟化、崩解，導致巷道頂板支護困難，圍巖變形量較大。同時巷道頂板上部有含礫粗砂巖含水層的存在，造成巷道頂板出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，影響了生產(chǎn)的正常進行。因此以111801運輸順槽為工程背景，對富水頂板巷道圍巖控制技術(shù)展開相關(guān)研究。

2 圍巖分段控制技術(shù)

對于富水頂板巷道，水的存在不但會弱化巷道頂板強度，同時會導致頂板可錨性降低，錨桿無法找到可靠的著力點，造成該類型巷道支護困難。該巷道頂板巖層主要有兩類：弱膠結(jié)巖層和含水層，弱鉸接巖層主要為巷道上覆直接頂，該類巖層遇水后發(fā)生弱化，強度會降低；富水巷道頂板主要來自于砂巖含水層，其所處的巖層層位會對巷道頂板穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響?；谏鲜龇治?，將巷道頂板分為Ⅰ類和Ⅱ類富水頂板巷道，針對其不同的巖層性質(zhì)來采取不同的支護方式，并制定不同的疏水和保水措施來對巷道圍巖進行分段控制。

2.1 Ⅰ類富水頂板巷道

該類型巷道中砂巖含水層所處的層位較高且厚度相對較大，通常會超過錨桿錨固位置1m左右，但仍處于錨索的錨固范圍內(nèi)。在該種情況下，錨桿支護系統(tǒng)可加固隔水層，不會導致上位含水層與下位的弱膠結(jié)巖層相互貫通，因此采用錨桿支護后不會造成巷道頂板出現(xiàn)滲水或者淋水等現(xiàn)象出現(xiàn)，而下位弱膠結(jié)巖層含水量較低，不會對錨桿支護系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響；而采用錨索支護時，錨桿會穿越該含水層，破壞穿層區(qū)域含水層結(jié)構(gòu)，錨索支護完成后，頂板水會沿著錨索索體流出，在采取相關(guān)堵水和疏水措施后，仍可保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此針對該類型的巷道可采用錨桿加錨索聯(lián)合支護方式，二者共同維護頂板圍巖穩(wěn)定性。

錨桿支護：巷道掘成后，首先對巷道斷面進行混凝土噴射，以封閉圍巖表面裂隙，初噴厚度為50mm，此后緊跟著進行錨桿支護，頂板和兩幫所選用的錨桿均為直徑為22mm、長度為2200mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，與之配合使用的蝶形托盤長寬均為150mm、厚度為10mm。頂部和幫部錨桿間距排距均為800mm，所選用錨固劑為防水型，快速和中速各一支，施工完成后錨桿預緊力達到80kN，為充分發(fā)揮錨桿支護阻力，在頂幫均鋪設(shè)鋼絲直徑為6mm的金屬網(wǎng)和鋼筋直徑為14mm的鋼筋梯子梁。

錨索支護：當巷道頂板的錨桿支護完成后，緊跟進行錨索支護，選用直徑為21.6mm、長度為6300mm的19股鋼絞線錨索，配合使用的蝶形托盤長寬均為300mm、厚度為16mm。頂錨索間距為1400mm、排距為1600mm，同樣使用放水型錨固劑，快速一支、中速三支，施工完成后錨索預緊力為200kN，所用鋼筋梯子梁規(guī)格與錨桿相同。最終Ⅰ類富水頂板巷道支護斷面示意圖如圖1所示。

圖1 Ⅰ類巷道支護斷面示意圖

2.2 Ⅱ類富水頂板巷道

該類型巷道中頂板含水層所處的層位較低，與巷道頂板距離在2m內(nèi)。在該種情況下，巷道的開掘易對上覆含水層產(chǎn)生擾動，而巷道頂板上覆弱膠結(jié)巖層內(nèi)形成的采動裂隙會成為含水層的導水通道，進一步導致弱膠結(jié)巖層強度降低，巷道頂板出現(xiàn)淋水情況。頂板錨桿錨固段恰好處于砂巖含水層中，錨桿無法實現(xiàn)可靠的著力點，難以發(fā)揮其主動支護的作用，同時錨桿鉆孔會進一步成為巷道頂板涌水通道，導致頂板強度進一步降低，支護效果不佳。因此針對此類型巷道，頂板支護主要以錨索為主，巷幫支護采用錨桿支護，同時結(jié)合相關(guān)堵水和疏水措施，最終實現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定。

Ⅱ類巷道頂板支護工藝與Ⅰ類巷道相同，首先對新掘出的巷道進行混凝土初噴，初噴厚度為50mm，隨后進行錨桿（索）支護，錨桿（索）及相關(guān)支護材料規(guī)格性質(zhì)均與Ⅰ類巷道支護時所選相同，頂板支護僅為錨索支護，其間距和排距均為1200mm，巷幫支護仍為錨桿支護，錨桿間排距均為800mm。最終Ⅱ類富水頂板巷道支護斷面示意圖如圖2所示。

圖2 Ⅱ類巷道支護斷面示意圖

2.3 巷道疏水與保水措施

2.3.1 巷道疏水措施

頂板巖層內(nèi)含水會導致其強度降低，影響錨桿（索）的錨固效果，制定合理的疏水鉆孔布置方案，對頂板含水層水流進行排放，從而減小水對頂板巖層的弱化作用。

1）含水層層位及層厚的確定。

對頂板上覆巖層含水層的層位及含水量進行準確測量，為制定技術(shù)及經(jīng)濟上合理的疏水措施具有重要的指導意義。沿巷道掘進方向每隔50m布置一個觀測鉆孔，通過窺視儀對鉆孔內(nèi)部的巖層性質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況及含水情況進行觀測，主要對鉆孔內(nèi)出水點高度信息和穿過含水層的高度信息進行記錄，進而得出頂板含水層厚度。由鉆孔內(nèi)部窺視結(jié)果可知，各鉆孔內(nèi)出水點最小值為1.4m，最大值為4.2m，平均處于3.1m左右，含水層層厚在0.9～2.8m之間，且孔內(nèi)出水點高度與含水層厚度呈反比關(guān)系，鉆孔內(nèi)含水層高度普遍未超過5m。

2）疏水孔布置參數(shù)。

疏水孔布置參數(shù)主要包括孔徑和孔深，鉆孔直徑過大則現(xiàn)場施工工程量大，鉆孔直徑過小則排水過程中水流速度過小，對巷道掘進速度產(chǎn)生影響，綜合考慮將孔徑確定為50mm較為合適，鉆孔傾角按65°～75°設(shè)計，為使巷道的降排水效果達到最佳，疏水鉆孔終孔高度應(yīng)超過含水層最大高度1.5～2m，因此將鉆孔斜長確定為7m。巷道每隔一段距離設(shè)置臨時水倉，對疏放的頂板水進行收集和儲存，以防止巷道底板受淋水影響而強度降低。鉆孔疏水完成后，可繼續(xù)作窺視使用。

為防止頂板疏水施工與巷道掘進相互影響，疏水鉆孔施工滯后于掘進面迎頭15～20m，疏水鉆孔沿著巷道走向靠近兩幫交錯布置，每幫疏水鉆孔間距離為30m，如圖3所示。當鉆孔排水量發(fā)生明顯減小時，停止疏水工作，并將孔口封堵。同時為了彌補因鉆孔施工而導致周邊圍巖強度降低的問題，在孔周邊補打一根錨索以增加該區(qū)域的支護強度。

圖3 疏水孔布置示意圖

2.3.2 巷道保水措施

1）巷道表面噴漿，通過噴漿可將巷道圍巖表面裂隙封閉，減小頂板淋水，防止受水侵蝕作用的頂板軟弱巖層進一步發(fā)生吸水風化，同時噴射的混凝土具有一定的強度，對加強巷道圍巖支護起到促進作用。

2）錨桿（索）錨固段加長，錨桿（索）桿體及鉆孔都會成為含水層的淋水通道，因此可通過將錨桿（索）錨固段長度增加，通過錨固劑對孔內(nèi)圍巖裂隙進行封閉，從而防止上部含水層向下部巖層進行水力滲透。錨固段長度的增加同時可以增加錨桿（索）支護系統(tǒng)強度。

3）滯后掘進面迎頭進行注漿堵漏，該項工作主要針對巷道頂板含水層層位較低，導致其下方巖層含水量較大，頂板淋水嚴重的問題。通過選用ZKD高水速凝材料對頂板進行注漿加固。

3 工業(yè)性試驗及礦壓觀測

根據(jù)圍巖分段控制指定的支護方案，及疏水和保水措施，在111801運輸順槽進行工業(yè)性試驗，為驗證巷道支護參數(shù)及支護效果的合理性，對巷道進行礦壓觀測，主要包括巷道圍巖變形量及錨桿（索）受力情況。巷道圍巖變形情況如圖4所示，由圖可知，在巷道開挖初期圍巖變形量較大，滯后掘進工作面距離越近，圍巖變形增長越快，滯后掘進工作面迎頭越遠，圍巖變形趨于穩(wěn)定，受頂板富水影響，巷道頂板下沉量大于兩幫移近量及底鼓量。在巷道開挖后20d內(nèi)，巷道圍巖變形呈現(xiàn)快速增長，頂板平均下沉速度為5.9mm/d，兩幫平均移近速度為3.8mm/d，底鼓平均速度為1.2mm/d，此時測點距離掘進面迎頭130m左右，此后巷道圍巖變形速度逐漸減小，當距離巷道掘進面迎頭150mm左右時巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終頂板下沉量為142mm，兩幫移近量為86mm，底鼓量為34mm，圍巖變形量處于可控范圍，支護效果良好。

圖4 巷道圍巖表面變形曲線

錨桿及錨索軸向載荷監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，由于巷道頂板變形量較兩幫及底板大，頂部錨桿受力普遍大于幫部錨桿，當滯后掘進面迎頭130～150m時，錨桿軸向載荷基本趨于穩(wěn)定，頂錨桿最大載荷未超過120kN，幫錨桿最大載荷未超過60kN；錨索軸向載荷在滯后掘進面迎頭100m左右時逐漸趨于穩(wěn)定，錨索載荷基本在156～262kN之間，支護效果良好。

圖5 錨桿（索）軸向載荷監(jiān)測

4 結(jié) 論

對于富水頂板巷道，水的存在不但會弱化巷道頂板強度，同時會導致頂板可錨性降低，錨桿無法找到可靠的著力點，造成該類型巷道支護困難。通過采取圍巖分段控制技術(shù)并結(jié)合疏水與導水措施對巷道圍巖進行綜合支護可增強圍巖強度，減小圍巖變形，支護效果良好。