顶板富水条件下巷道掘进支护技术研究

2019-06-19安彦霖

煤矿现代化 2019年4期

安彦霖

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西方山033100）

1 工程背景

某矿现主采8号煤层，煤层平均厚度为2.75m，111801工作面为该矿首采工作面，工作面两条顺槽顶底板岩层主要以砂质泥岩和粉砂岩为主，该类岩层胶结性差，围岩强度较低，遇水后容易发生软化、崩解，导致巷道顶板支护困难，围岩变形量较大。同时巷道顶板上部有含砾粗砂岩含水层的存在，造成巷道顶板出现淋水现象，影响了生产的正常进行。因此以111801运输顺槽为工程背景，对富水顶板巷道围岩控制技术展开相关研究。

2 围岩分段控制技术

对于富水顶板巷道，水的存在不但会弱化巷道顶板强度，同时会导致顶板可锚性降低，锚杆无法找到可靠的着力点，造成该类型巷道支护困难。该巷道顶板岩层主要有两类：弱胶结岩层和含水层，弱铰接岩层主要为巷道上覆直接顶，该类岩层遇水后发生弱化，强度会降低；富水巷道顶板主要来自于砂岩含水层，其所处的岩层层位会对巷道顶板稳定性产生重要的影响。基于上述分析，将巷道顶板分为Ⅰ类和Ⅱ类富水顶板巷道，针对其不同的岩层性质来采取不同的支护方式，并制定不同的疏水和保水措施来对巷道围岩进行分段控制。

2.1 Ⅰ类富水顶板巷道

该类型巷道中砂岩含水层所处的层位较高且厚度相对较大，通常会超过锚杆锚固位置1m左右，但仍处于锚索的锚固范围内。在该种情况下，锚杆支护系统可加固隔水层，不会导致上位含水层与下位的弱胶结岩层相互贯通，因此采用锚杆支护后不会造成巷道顶板出现渗水或者淋水等现象出现，而下位弱胶结岩层含水量较低，不会对锚杆支护系统稳定性产生显著影响；而采用锚索支护时，锚杆会穿越该含水层，破坏穿层区域含水层结构，锚索支护完成后，顶板水会沿着锚索索体流出，在采取相关堵水和疏水措施后，仍可保证巷道围岩的稳定性。因此针对该类型的巷道可采用锚杆加锚索联合支护方式，二者共同维护顶板围岩稳定性。

锚杆支护：巷道掘成后，首先对巷道断面进行混凝土喷射，以封闭围岩表面裂隙，初喷厚度为50mm，此后紧跟着进行锚杆支护，顶板和两帮所选用的锚杆均为直径为22mm、长度为2200mm的左旋螺纹钢高强锚杆，与之配合使用的蝶形托盘长宽均为150mm、厚度为10mm。顶部和帮部锚杆间距排距均为800mm，所选用锚固剂为防水型，快速和中速各一支，施工完成后锚杆预紧力达到80kN，为充分发挥锚杆支护阻力，在顶帮均铺设钢丝直径为6mm的金属网和钢筋直径为14mm的钢筋梯子梁。

锚索支护：当巷道顶板的锚杆支护完成后，紧跟进行锚索支护，选用直径为21.6mm、长度为6300mm的19股钢绞线锚索，配合使用的蝶形托盘长宽均为300mm、厚度为16mm。顶锚索间距为1400mm、排距为1600mm，同样使用放水型锚固剂，快速一支、中速三支，施工完成后锚索预紧力为200kN，所用钢筋梯子梁规格与锚杆相同。最终Ⅰ类富水顶板巷道支护断面示意图如图1所示。

图1 Ⅰ类巷道支护断面示意图

2.2 Ⅱ类富水顶板巷道

该类型巷道中顶板含水层所处的层位较低，与巷道顶板距离在2m内。在该种情况下，巷道的开掘易对上覆含水层产生扰动，而巷道顶板上覆弱胶结岩层内形成的采动裂隙会成为含水层的导水通道，进一步导致弱胶结岩层强度降低，巷道顶板出现淋水情况。顶板锚杆锚固段恰好处于砂岩含水层中，锚杆无法实现可靠的着力点，难以发挥其主动支护的作用，同时锚杆钻孔会进一步成为巷道顶板涌水通道，导致顶板强度进一步降低，支护效果不佳。因此针对此类型巷道，顶板支护主要以锚索为主，巷帮支护采用锚杆支护，同时结合相关堵水和疏水措施，最终实现巷道围岩的稳定。

Ⅱ类巷道顶板支护工艺与Ⅰ类巷道相同，首先对新掘出的巷道进行混凝土初喷，初喷厚度为50mm，随后进行锚杆（索）支护，锚杆（索）及相关支护材料规格性质均与Ⅰ类巷道支护时所选相同，顶板支护仅为锚索支护，其间距和排距均为1200mm，巷帮支护仍为锚杆支护，锚杆间排距均为800mm。最终Ⅱ类富水顶板巷道支护断面示意图如图2所示。

图2 Ⅱ类巷道支护断面示意图

2.3 巷道疏水与保水措施

2.3.1 巷道疏水措施

顶板岩层内含水会导致其强度降低，影响锚杆（索）的锚固效果，制定合理的疏水钻孔布置方案，对顶板含水层水流进行排放，从而减小水对顶板岩层的弱化作用。

1）含水层层位及层厚的确定。

对顶板上覆岩层含水层的层位及含水量进行准确测量，为制定技术及经济上合理的疏水措施具有重要的指导意义。沿巷道掘进方向每隔50m布置一个观测钻孔，通过窥视仪对钻孔内部的岩层性质、节理裂隙发育情况及含水情况进行观测，主要对钻孔内出水点高度信息和穿过含水层的高度信息进行记录，进而得出顶板含水层厚度。由钻孔内部窥视结果可知，各钻孔内出水点最小值为1.4m，最大值为4.2m，平均处于3.1m左右，含水层层厚在0.9～2.8m之间，且孔内出水点高度与含水层厚度呈反比关系，钻孔内含水层高度普遍未超过5m。

2）疏水孔布置参数。

疏水孔布置参数主要包括孔径和孔深，钻孔直径过大则现场施工工程量大，钻孔直径过小则排水过程中水流速度过小，对巷道掘进速度产生影响，综合考虑将孔径确定为50mm较为合适，钻孔倾角按65°～75°设计，为使巷道的降排水效果达到最佳，疏水钻孔终孔高度应超过含水层最大高度1.5～2m，因此将钻孔斜长确定为7m。巷道每隔一段距离设置临时水仓，对疏放的顶板水进行收集和储存，以防止巷道底板受淋水影响而强度降低。钻孔疏水完成后，可继续作窥视使用。

为防止顶板疏水施工与巷道掘进相互影响，疏水钻孔施工滞后于掘进面迎头15～20m，疏水钻孔沿着巷道走向靠近两帮交错布置，每帮疏水钻孔间距离为30m，如图3所示。当钻孔排水量发生明显减小时，停止疏水工作，并将孔口封堵。同时为了弥补因钻孔施工而导致周边围岩强度降低的问题，在孔周边补打一根锚索以增加该区域的支护强度。

图3 疏水孔布置示意图

2.3.2 巷道保水措施

1）巷道表面喷浆，通过喷浆可将巷道围岩表面裂隙封闭，减小顶板淋水，防止受水侵蚀作用的顶板软弱岩层进一步发生吸水风化，同时喷射的混凝土具有一定的强度，对加强巷道围岩支护起到促进作用。

2）锚杆（索）锚固段加长，锚杆（索）杆体及钻孔都会成为含水层的淋水通道，因此可通过将锚杆（索）锚固段长度增加，通过锚固剂对孔内围岩裂隙进行封闭，从而防止上部含水层向下部岩层进行水力渗透。锚固段长度的增加同时可以增加锚杆（索）支护系统强度。

3）滞后掘进面迎头进行注浆堵漏，该项工作主要针对巷道顶板含水层层位较低，导致其下方岩层含水量较大，顶板淋水严重的问题。通过选用ZKD高水速凝材料对顶板进行注浆加固。

3 工业性试验及矿压观测

根据围岩分段控制指定的支护方案，及疏水和保水措施，在111801运输顺槽进行工业性试验，为验证巷道支护参数及支护效果的合理性，对巷道进行矿压观测，主要包括巷道围岩变形量及锚杆（索）受力情况。巷道围岩变形情况如图4所示，由图可知，在巷道开挖初期围岩变形量较大，滞后掘进工作面距离越近，围岩变形增长越快，滞后掘进工作面迎头越远，围岩变形趋于稳定，受顶板富水影响，巷道顶板下沉量大于两帮移近量及底鼓量。在巷道开挖后20d内，巷道围岩变形呈现快速增长，顶板平均下沉速度为5.9mm/d，两帮平均移近速度为3.8mm/d，底鼓平均速度为1.2mm/d，此时测点距离掘进面迎头130m左右，此后巷道围岩变形速度逐渐减小，当距离巷道掘进面迎头150mm左右时巷道围岩变形逐渐趋于稳定，最终顶板下沉量为142mm，两帮移近量为86mm，底鼓量为34mm，围岩变形量处于可控范围，支护效果良好。

图4 巷道围岩表面变形曲线

锚杆及锚索轴向载荷监测结果如图5所示，由于巷道顶板变形量较两帮及底板大，顶部锚杆受力普遍大于帮部锚杆，当滞后掘进面迎头130～150m时，锚杆轴向载荷基本趋于稳定，顶锚杆最大载荷未超过120kN，帮锚杆最大载荷未超过60kN；锚索轴向载荷在滞后掘进面迎头100m左右时逐渐趋于稳定，锚索载荷基本在156～262kN之间，支护效果良好。