顶板淋水对巷道围岩变形破坏的影响及防治

2019-08-05何富连李晓斌朱恒忠徐祝贺陈钦坤

煤矿安全 2019年6期

何富连，李晓斌，朱恒忠，徐祝贺，陈钦坤，李政

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

水作为矿井五大自然灾害之一，大量淋水会使道路湿滑，给矿井造成巨大安全隐患[1]。顶板岩石遇水后，强度会变低，容易发生冒顶事故，给巷道支护带来巨大困难[2]。目前国内学者对顶板淋水巷道控制方面已进行了一些探索，冯志强等[3]研制出了1种用于顶板水治理的新型堵水注浆材料并在现场得到验证；何富连等[4-5]提出采用新型防水锚固剂和高预应力锚杆索来支护破碎淋水顶板，并取得良好控制效果；姚强岭等[6]根据顶板岩性对富水巷道进行分类，阐释了巷道分顶控制技术。但上述研究多是分析锚固剂性能和巷道支护系统。然而，对于淋水条件下围岩变形破坏特征的研究不够全面和透彻。结合某矿相关地质条件，重点从理论推导和数值模拟2个方面详细阐述了受淋水影响的围岩变形破坏特征，最后提出了淋水顶板条件下巷道围岩控制技术。该研究对于预防巷道冒顶提供了新的理论和技术支撑。

1 工程概况

某矿8203工作面位于北二盘区1135水平，走向长1 450 m，倾斜长220 m，工作面为一进二回三巷布置，其中2203运输巷、5203回风平巷沿5#煤层底板布置，5203-1顶回风平巷沿5#煤层顶板稳定岩层开掘。2203运输巷与北二盘区辅助运输巷、主运输巷相连接，5203回风巷与北二盘区回风大巷相连接，5203-1顶回风巷外端与北二盘区回风大巷相连接，与北二盘区辅助运输大巷通过联络斜巷相连接。工作面主要开采5#煤层，平均厚度为15.45 m，煤层结构复杂，煤层倾角为3°～ 4°，煤层硬度为 2～3。5#煤层位于太原组中部，层位稳定，煤层厚度大，夹石岩性为黑色炭质泥岩及高岭岩，泥质结构，块状构造。据地质资料表明，5#煤层开采时，砂岩裂隙水进入矿井。巷道掘进过程中，施工多个探水孔均有涌水，随时间推移，水量变小，山西组底部砂岩裂隙含水层为5#煤层的主要直接充水因素。8203工作面如图1。

图1 8203工作面示意图

2 顶板淋水对围岩性质的影响

巷道成巷后，顶板淋水会使围岩性质发生很大变化，表现为围岩单轴抗压强度和弹性模量降低[7]，且随着含水率的增加，两者大致呈现线性降低，单轴抗压强度与含水率的关系如图2，弹性模量与含水率关系如图3。

图2 单轴抗压强度与含水率的关系

图3 弹性模量与含水率的关系

式中：σc、E分别为岩石遇水后的单轴抗压强度和弹性模量，MPa；σc0、E0分别为岩石遇水前的单轴抗压强度和弹性模量，MPa；w、w0分别为岩石含水率和初始含水率，%；A、B为与岩石性质有关的系数。

3 顶板淋水对巷道围岩塑性区的影响

3.1 理论模型的建立

假设顶板岩层为均质、各向同性的连续介质且水的渗流规律满足达西定律，建立的弹塑性理论模型如图4。

图4 弹塑性理论模型

根据渗流理论和抽水试验可知[8-9]：

式中：pw为巷道渗透水压力，Pa；pd为原始渗透水压力，Pa；r为任意一点到巷道中心的距离，m；Rd为水影响半径，m；R0为圆形巷道半径，m。

含水围岩满足平衡微分方程：

式中：σr、σθ为径向应力和切向应力，Pa；a 为有效水压力系数，与孔隙率有关，a介于0到1之间。

由莫尔-库伦理论可知：

式中：φ 为内摩擦角，（°）；C 为黏聚力，MPa。

将式（2）和式（4）代入式（3）得到：

巷道被支护以后，可以认为巷道围岩表面受到均布载荷，即 r=R0，σr=pi。利用式（4）求解式（5）得到应力表达式：

假设弹性区和塑性区交界处距离为Rp，在弹塑性交界处r=Rp时，可得塑性区半径Rp和位移up的表达式为[10]：

式中：Rp为塑性区半径，m；p0为原岩应力，MPa；up为塑性区位移，m；E0为弹性模量，MPa。

由式（7）和式（8）可知，巷道围岩在含水率高且有支护情况下，发生塑性变形的半径和位移与黏聚力、内摩擦角、原岩应力、原始渗透水压力、弹性模量、支护阻力、圆形巷道半径和有效水压力系数等因素有很大关系[11-13]。具体表现为：

1）巷道围岩塑性区位移和半径随C和φ的减小而增大。这是因为在含水率高的情况下，渗透水压力会变大，围岩的内摩擦角和黏聚力减小，围岩强度降低，从而产生大变形。

2）巷道围岩塑性区域的扩展随原岩应力p0的增大成指数形式快速增长且增长速度与φ有关，内摩擦角越小，增长速率越快，围岩塑性区范围越大，破坏越严重。

3）在一定范围内，巷道围岩塑性区半径和位移随支护阻力pi的增大而减小，随有效水压力系数a的增大而增大。由此可见，在顶板淋水情况下可以通过采用提高支护强度的方式来控制围岩变形。

3.2 数值模型的建立

运用FLAC3D软件进行数值模型的建立，垂直巷道长度方向为x轴，巷道长度方向为y轴，铅直方向为z轴。模型上部施加均匀载荷q=ρgH=12.5 MPa，其中q为上覆岩层的质量；ρ为岩层平均密度；H为埋深，取500 m。模型底面和两侧固定，巷道围岩本构关系为摩尔-库伦模型，分析顶板在有无淋水条件下巷道围岩塑性区、应力和位移的变化情况。巷道围岩塑性区、应力和位移分布云图如图5。

图5 巷道围岩塑性区、应力和位移分布云图

1）从无淋水到有淋水条件下，巷道围岩发生破坏的范围逐渐增大，顶板塑性区的范围大于两帮塑性区的破坏，底板发生破坏的范围受含水率变化的影响不大。

2）顶板无淋水条件下围岩发生塑性变形范围约为1.4 m，有水条件下塑性区范围约为3 m，由此可得围岩在淋水条件下发生破坏范围是无淋水条件的2 倍多[14]。

3）从无淋水到有淋水条件，围岩垂直应力逐渐增大，垂直应力变化主要集中在两帮，这是由于一方面巷道开挖后围岩由三向应力状态变成二向应力状态，另一方面围岩遇水发生膨胀，产生应力集中现象。故在淋水顶板条件下两帮垂直应力变化显著。

4）从无淋水到有淋水条件，顶板下沉量和两帮移近量都有所增加，但顶板下沉量比两帮移近量更加明显。这主要是由于在顶板淋水条件下，上覆岩层遇水发生软化现象，强度降低，锚固剂失效，支护效果不显著，顶板发生显著下沉，有时伴随着冒顶事故，给矿井生产带来严重影响。

4 支护方案及应用效果

4.1 支护方案

针对某矿8203工作面5203回风平巷存在顶板淋水现象，对该巷道进行现场工业性试验。5203巷道为矩形断面，巷道掘进宽5 600 mm，净宽5 400 mm，净高3 500 mm,局部净高达4 m多，净断面为18.9 m2，锚杆索支护布置如图6。巷道整体采用锚网索联合支护，顶板淋水段锚杆索支护使用新型防水锚固剂,对于局部特别破碎的淋水顶板区域可采用注浆加固[12-15]。

图6 巷道支护断面图

支护参数如下：顶板采用6排左旋无纵螺纹钢锚杆5 000 mm×200 mm×3W型钢带、三二三布置锚索+铁托板、φ6#网格100 mm×100 mm的金属网联合支护。在巷道两侧顶角各打1排角锚杆，其它各排锚杆间排距900 mm×1 000 mm，锚杆直径φ22 mm、长L=2 400 mm，两帮侧角锚杆与水平面夹角75°，其它垂直顶板；锚索排距2 000 mm、间距2 000 mm，直径φ17.8 mm，长8 300 mm，两侧锚索与水平面夹角为70°，中间与顶板垂直。巷道回采帮用3排玻璃钢锚杆、网格40 mm×40 mm塑料网联合护帮，锚杆直径φ20 mm、长L=2 200 mm，距巷道顶板300 mm打第1排锚杆，距巷道底板800 mm打第3排锚杆，间排距1 200 mm×1 000 mm。巷道煤柱帮用3排左旋无纵筋螺纹钢锚杆、金属网（同顶板规格）护帮,锚杆直径φ22 mm、长L=2 400 mm，两帮侧角锚杆与水平面夹角75°，锚杆布置方式同回采帮。