李村煤礦1302工作面運(yùn)輸巷頂板涌水防治技術(shù)

楊鵬飛

(潞安集團(tuán) 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600)

目前，賦存條件較好的煤炭資源儲(chǔ)量越來(lái)越少，賦存條件較差的煤炭資源逐漸成為開(kāi)采的主要對(duì)象[1]。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下礦井突水現(xiàn)象頻發(fā)[2-3]，工作區(qū)域內(nèi)積水嚴(yán)重，同時(shí)頂板水沿巖層裂隙不斷滲透，進(jìn)而使得巷道圍巖強(qiáng)度不斷下降，加大了礦井的支護(hù)難度[4]，這一地質(zhì)災(zāi)害已逐漸成為制約礦井正常安全生產(chǎn)的重要影響因素，因此對(duì)礦井突水現(xiàn)象的有效治理已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究焦點(diǎn)[5-6]。

李村煤礦1302工作面運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了頂板涌水量較大且下沉明顯的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約礦井的正常安全生產(chǎn)。以該巷道為工程背景，探究突水機(jī)理并在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)有效的治理措施不僅可以保障礦井的正常安全生產(chǎn)，同時(shí)對(duì)于類(lèi)似巷道的治理也具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

李村煤礦1302工作面開(kāi)采煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部的3號(hào)煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角為0～ 7°，平均5°，煤層頂?shù)装迩闆r如表1。在該工作面區(qū)域內(nèi)煤層中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸。1302工作面運(yùn)輸巷埋深為450 m，為矩形斷面，斷面尺寸為4.5 m×3.3 m，沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)總長(zhǎng)度為1 233 m。

巷道采用螺紋鋼錨桿、預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)配合鋼帶進(jìn)行支護(hù)，其中頂板每排打5根錨桿，間排距為1 m×1 m，采用兩支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行端頭錨固，一支規(guī)格為MSCK2335，另一支規(guī)格為MSCK2360，施加預(yù)緊力為150 kN；錨索采用三二五花布置，三根間距1.5 m，兩根間距2 m，排距均為1 m，采用三支樹(shù)脂藥卷進(jìn)行端頭錨固，其中一支規(guī)格為MSCK2335，另兩支規(guī)格為MSCK2360，施加的預(yù)緊力為250 kN；巷道兩幫每排打設(shè)4根錨桿，間排距為0.8 m×1 m，錨固方式與頂板一致，巷道斷面支護(hù)如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 巷道斷面支護(hù)

該巷道在掘進(jìn)至679 m處時(shí)頂板涌水量增大且下沉明顯，巷道內(nèi)積水增多，嚴(yán)重影響礦井的正常安全生產(chǎn)。

2 巷道頂板涌水及下沉原因

1) 通過(guò)探測(cè)雷達(dá)與鉆孔相結(jié)合的方式對(duì)頂板進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果表明，1302工作面運(yùn)輸巷頂板9～12 m處存在著砂巖空隙裂隙含水層，該含水層的平均厚度為2.5 m，主要由天池河組紫紅色砂巖、云崗組和大同組長(zhǎng)石石英砂巖組成。大氣降水是主要的補(bǔ)水來(lái)源，補(bǔ)給條件較差，水頭較高，充水空間不發(fā)育，以風(fēng)化裂隙水為主，水質(zhì)為HCO3-Ca·Mg·Na型。該含水層富水性整體較弱，不會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生較大影響。

2) 運(yùn)輸巷在掘進(jìn)至679 m處時(shí)對(duì)該段巷道進(jìn)行了原位探測(cè)，探測(cè)結(jié)果表明該段巷道圍巖所受的應(yīng)力較高，巖層強(qiáng)度較低，在掘進(jìn)擾動(dòng)下頂板圍巖應(yīng)力表現(xiàn)為復(fù)雜的加載卸載狀態(tài)，圍巖結(jié)構(gòu)遭受破壞，完整性降低，裂隙明顯增多，其中豎向裂隙增加尤為明顯，如圖2所示。隨著裂隙不斷向深部擴(kuò)展，最終與頂板上部的砂巖空隙裂隙含水層導(dǎo)通，長(zhǎng)度較長(zhǎng)、張開(kāi)度較大的裂隙成為了導(dǎo)水通道，致使巷道頂板涌水量急劇增加。

圖2 頂板圍巖窺視結(jié)果

3) 通過(guò)X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)巷道頂板巖樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)頂板巖層中親水性較強(qiáng)的礦物成分含量較多，例如蒙脫石、伊利石以及高嶺石，頂板涌水量增加的情況下會(huì)加速頂板圍巖吸水泥化，強(qiáng)度出現(xiàn)進(jìn)一步的下降。

4) 受鄰近工作面的回采影響，頂板圍巖在采動(dòng)誘發(fā)的高偏應(yīng)力作用下裂隙會(huì)進(jìn)一步向深處擴(kuò)展，新的微裂隙也會(huì)由此產(chǎn)生，裂隙場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大，加劇了巷道頂板的涌水現(xiàn)象。

5) 錨桿索以及錨固劑長(zhǎng)期遭受淋涌水的侵蝕浸泡，桿體出現(xiàn)了一定程度的腐蝕，桿體強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。錨固藥劑的性質(zhì)也發(fā)生了變化，不能與巖體進(jìn)行很好的膠結(jié)，進(jìn)而使得錨桿索支護(hù)效果欠佳。

3 防治措施

在掘進(jìn)擾動(dòng)、鄰近工作面回采擾動(dòng)的共同影響下，運(yùn)輸巷頂板圍巖破碎，裂隙進(jìn)一步發(fā)育并向深部擴(kuò)展，最終與頂板上方的砂巖空隙裂隙含水層導(dǎo)通，同時(shí)支護(hù)強(qiáng)度不能較好地保證是造成巷道涌水量較大、頂板下沉明顯的主要原因。為此，提出采用“深部引流+淺層注漿+增加支護(hù)強(qiáng)度”的綜合治理方案對(duì)該巷道進(jìn)行治理。

3.1 深部引流

如果直接進(jìn)行淺層注漿，頂板深部含水層中的水會(huì)因封堵而排泄不出來(lái)，導(dǎo)致水壓升高，進(jìn)而對(duì)周邊圍巖造成破壞。因此在淺層注漿之前需要先進(jìn)行深部引流泄壓。由于含水層位于頂板上方9～12 m，考慮到生產(chǎn)成本和鉆孔工藝的復(fù)雜性，并未采用在較大的鉆孔中下入止水套管的工藝，而是在施工錨索鉆孔的工藝基礎(chǔ)上，將導(dǎo)水鉆孔的孔徑適當(dāng)增大。所施工的導(dǎo)水鉆孔分別位于巷道頂板中線(xiàn)以及距巷道頂板中線(xiàn)左右兩側(cè)1.125 m處，其中孔徑為36 mm，孔深為10 m，鉆孔排距取為1.8 m，如圖3所示。

圖3 深部引流鉆孔布置

通過(guò)在鉆孔中插入改進(jìn)加長(zhǎng)版的中空錨桿來(lái)對(duì)深部中的水進(jìn)行引流，圖4為導(dǎo)水鉆孔剖面。

圖4 導(dǎo)水鉆孔剖面

3.2 淺部注漿

淺層注漿可以有效充填巷道頂板圍巖裂隙，提高圍巖完整性和強(qiáng)度。注漿材料選用42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥漿比重設(shè)置在1.35～1.65 t/m3之間。水泥中按照0.8%的重量比加入一定量的NaCl，這樣可以減小水泥結(jié)石體的冷凝時(shí)間。若存在注跑漿嚴(yán)重的區(qū)域，則采用水泥-水玻璃雙漿液。雙漿液使用的水泥漿比重在1.3～1.5 t/m3之間。水玻璃波美度為38Be左右，注漿中根據(jù)跑漿嚴(yán)重程度和注漿壓力來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

注漿鉆孔沿巷道軸線(xiàn)方向成排布置，間排距為1.2 m×2 m。每排中間的兩個(gè)鉆孔垂直于頂板圍巖布置，靠近巷道兩側(cè)的鉆孔與水平方向的夾角為75°，孔深均為4 m，孔徑均為45 mm，采用TXU-75型液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工，注漿孔布置如圖5所示。

圖5 注漿鉆孔布置

注漿時(shí)注漿壓力保持在4～6 MPa，瞬時(shí)壓力不得超過(guò)8 MPa，以防止壓力過(guò)高而對(duì)周?chē)鷰r體造成損傷，注漿流量為10～15 L/min，每個(gè)孔的材料注入量約為85 kg。

3.3 增加支護(hù)強(qiáng)度

在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，錨桿改用全長(zhǎng)錨固技術(shù)，錨固劑更換為2335防水樹(shù)脂錨固劑，同時(shí)將錨桿的預(yù)緊力由150 kN增加至200 kN。為了增加錨索的錨固段深度，錨索長(zhǎng)度加長(zhǎng)至7.5 m，仍采用端頭錨固，使用的錨固劑同樣更換為2335防水樹(shù)脂錨固劑，所施加的預(yù)緊力則由250 kN增加至300 kN。通過(guò)提高錨桿索的預(yù)緊力，增加了各巖層之間的軸向壓力，進(jìn)而減小了淋涌水向周邊巖體的擴(kuò)散。

4 治理效果

運(yùn)輸巷涌水范圍約為115 m，注漿范圍達(dá)到了126 m，共施工布置注漿孔252個(gè)，注入注漿材料累計(jì)達(dá)21 500 kg。巷道頂板經(jīng)過(guò)深部引流+淺層注漿+增加支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行治理后，涌水量由原來(lái)的16 m3/h降低至1.2 m3/h，降低了92.5%，有效解決了頂板涌水量較大的問(wèn)題。為了了解頂板的下沉情況，在運(yùn)輸巷中設(shè)置測(cè)站并對(duì)其進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖6為治理前和治理后的巷道頂板下沉量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

從圖6可以看出，在治理后的一個(gè)月里，頂板下沉量?jī)H為15 mm，與治理前相比，減小了83.1%，頂板下沉量較大的問(wèn)題得到了有效控制，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了較大提高，滿(mǎn)足了礦井正常安全生產(chǎn)要求。

圖6 頂板下沉量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化曲線(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 1302工作面運(yùn)輸巷在掘進(jìn)擾動(dòng)、回采擾動(dòng)等因素影響下頂板圍巖出現(xiàn)破碎且裂隙進(jìn)一步發(fā)育并向深部擴(kuò)展，最終與頂板上覆含水層導(dǎo)通，與此同時(shí)支護(hù)強(qiáng)度不能較好地保證是造成該巷道頂板下沉明顯，涌水量較大的主要原因。

2) 通過(guò)采用深部引流+淺層注漿+增加支護(hù)強(qiáng)度的綜合治理方案對(duì)其進(jìn)行治理，結(jié)果表明，涌水量由原來(lái)的16 m3/h降低至1.2 m3/h，降低了92.5%，頂板下沉量與治理前相比下降了83.1%，效果明顯。