顶板淋水巷道围岩控制技术研究

张玉伟

【摘 要】 文章针对顶板淋水导致巷道围岩松软、支护体系强度降低、围岩变形量过大问题，在对顶板淋水对围岩变形影响分析基础上，提出含水层疏排+导水裂隙封堵+强化巷道支护等方式控制顶板淋水段巷道围岩变形，现场应用取得显著效果。取得主要结论为：1）2506运输巷顶板直接顶以泥岩为主，在顶板淋水作用下直接顶出现砂化、泥化，强度及承载能力显著降低且淋水作用下原有的锚网索支护体系强度降低，因此降低顶板淋水、封堵导水裂隙以及提升围岩支护强度是控制顶板淋水巷道围岩变形关键;2）在顶板淋水区域掘进时采用超前疏排水钻孔对顶板裂隙水进行疏排，增加锚杆（索）锚固长度、围岩注浆、巷道表层喷浆等方式封堵导水裂隙并降低淋水量可为围岩支护创造良好条件;3）通过加密锚杆、增加锚索长度以及锚杆索预紧力，来提升淋水段巷道围岩支护强度，提高围岩稳定性，现场应用后，淋水段巷道顶底板、巷帮变形量分别控制在49mm、40mm以内，取得较好围岩控制效果。

【关键词】 巷道掘进;围岩控制;顶板淋水;导水裂隙;封堵;锚网索支护

【中图分类号】 TD322 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0019-03

本文采用现场实测以及理论分析技术手段对顶板淋水巷道围岩变形原因及控制技术展开分析，以期能在一定程度上提升顶板淋水巷道围岩控制效果。

1工程概况

山西某矿2506工作面主采的5#煤层厚度平均3.0m、埋深226m、倾角2～7°。2506运输巷设计掘进距离为840m，沿5#煤底板掘进，断面矩形（净高、净宽分别为3.0m、4.5m），具体巷道位置关系见图1所示。

5#煤层顶板以泥岩、石灰岩为主，其中顶板石灰岩中含有一定量的裂隙水。巷道2506运输巷掘进至520m位置时顶板出现不同程度淋水，围岩变形严重，给巷道使用以及后续掘进安全带来严重隐患。

2顶板淋水巷道围岩变形分析

顶板淋水导致巷道围岩变形量增加的主要原因是在水作用下巷道围岩出现一定程度的破坏，受水侵蚀弱化后，围岩变形前期以软弱围岩扩容为主，后期变形向围岩深部转移，顶板出现一定离层。在水的作用下围岩强度降低，导致顶板失稳。根据矿井水文地质资料并结合水对岩层弱化作用，分析2506运输巷在顶板淋水区域围岩失稳的主要原因为：

受巷道掘进影响围岩应力重新分布，在掘进影响范围内煤岩体裂隙扩展。巷道掘进至顶板富水区域时，围岩裂隙与顶板裂隙水含水层连通，从而导致顶板出现一定程度淋水。

2506运输巷直接顶以泥岩为主，在水的作用下砂质泥岩力学性质发生改变的同时出现一定的膨胀变形，随着时间增加导水巷道直接顶出现严重的砂化、泥化现象，顶板强度及刚度显著降低，见图2（a）。

在顶板淋水侵蚀作用下锚杆、托盘等均出现严重锈蚀，承载力降低，锚固性能降低，部分锚杆、锚索甚至出现脱落问题，从而导致锚杆支护体系完整性及整体性遭到破坏，见图2（b）。

在顶板淋水影响下，围岩强度及稳定性有所降低，导致原有的支护系统强度降低或者部分失效，从而引起巷道顶板、巷帮出现严重变形，部分区域出现悬顶以及煤壁片帮等安全风险，见图2（c）。

3巷道围岩控制技术

通过分析顶板淋水巷道围岩变形原因，为了确保巷道圍岩稳定，首先应降低淋水对巷道围岩弱化作用。在巷道掘进过程中采用合理的防治水措施从本质上可降低淋水对围岩弱化;在巷道支护时采用高强支护材料对围岩进行强支护，通过调整围岩受力状态可控制围岩破坏范围，从而有效控制围岩变形。为此，提出合理布置疏排水钻孔+巷道围岩注浆+高预应力锚网索支护等综合手段控制淋水段巷道围岩变形。

3.1疏排水

根据2506运输巷水文地质资料，判定顶板淋水水源为5#煤层上覆石灰岩裂隙水。受巷道掘进影响，围岩中产生的裂隙与裂隙水含水层及采空区联通，通过合理布置疏排水钻孔可在一定程度上降低巷道顶板淋水

在2506运输巷掘进过至富水区域时布置的疏排水钻孔呈扇形，对顶板裂隙水含水层预先进行疏排，具体疏排水钻孔布置见图3，钻孔平距为3m，垂距为1.5m。钻孔布置倾角介于60～70°，孔径为75mm，钻孔终孔均在顶板石灰岩内。

3.2巷道围岩隔水

为降低淋水对围岩弱化影响，提升围岩稳定性，提出封闭锚杆（索）钻孔、围岩注浆加固以及巷道表层封闭等技术对围岩进行隔水。

封闭锚杆（索）钻孔。锚杆（索）锚固时采用的树脂锚固剂具有速凝特点，通过增加2506运输巷布置的锚杆（索）锚固长度，可达到封堵锚杆（索）钻孔目的，减少锚杆（索）与顶板裂隙水含水层间水力联系并提升锚杆（索）支护效果。

围岩注浆加固。巷道在顶板富水区域掘进时，通过注浆方式封堵围岩裂隙，从而降低裂隙水给围岩锚杆（索）影响并提升围岩承载能力。由于2506运输巷顶板岩层中含有方解石、高岭石等黏土矿物，因此选用的注浆加固材料应具备快速凝结、疏水性以及无渗水等特点。为此，注浆材料选用马丽散，注浆压力为3～5MPa。

表层喷浆。巷道掘进完成后即喷射厚度50mm的C20混凝土，支护完成后再次喷射，从而封闭巷道表层裂隙，减少顶板淋水。

3.3高预应力锚网索支护

2506运输巷断面为矩形（净宽×净高=4500mm×3000mm），具体支护设计见图4。

顶板支护采用规格φ20mm×2400mm螺纹钢锚杆、规格φ17.8mm×6300锚索进行支护。锚杆间排距均为1000mm，两侧角锚杆均外插15°角，采用1支CK2360锚固剂锚固锚杆顶端、1支k2350锚固剂锚固锚杆尾端;锚索间排距均为2000mm，布置在两排锚杆中间，采用两支CK2360锚固剂锚固锚锁顶端，4支k2350锚固剂锚固锚索尾端。

为了便于回采，在采面帮采用φ20mm×2000mm玻璃钢锚杆支护，每排3根，间距为1250mm、排距为1000mm，上下两根锚杆均外插30°;在煤柱帮采用φ20mm×2000mm螺纹钢锚杆支护，每排4根，间距为850mm、排距为1000mm，上下两根锚杆均外插30°。巷帮锚杆均采用1支CK2360锚固剂锚固锚杆顶端、1支k2350锚固剂锚固锚杆尾端。

此外在顶板铺设10#铁丝网（规格4000mm×1100mm）、钢筋梯子梁（规格φ14mm×3800mm）提升锚杆（索）支护效果;在巷帮铺设的10#铁丝网、钢筋梯子梁规格分别为3000mm×1100mm、φ14mm×2800mm。

4围岩控制效果分析

在巷道掘进过顶板淋水区域时，布置测站对围岩控制效果进行监测，具体结果见图5。

从图中看出，巷道初期掘进期间（0～20d）内，受掘进影响，巷道围岩变形量较大且以顶底板变形为主，其中顶底板在掘进支护完成10d内变形量达到39.3mm、巷帮为23.5mm;巷道支护完成30d后，巷道围岩变形基本趋于稳定。支护5d后顶底板、巷帮变形量增加速度达到峰值，分别为5.4mm/d、3.3mm/d，支护16d后顶底板、巷帮变形量增加速度分别降低至0.53mm/d、0.50mm/d，支护完成30d后顶底板、巷帮变形量增加速度分别降低至0.043mm/d、0.123mm/d。在监测期间顶底板、巷帮最大变形量分别为49mm、40mm，围岩变形在允许范围内，表明文中所提顶板淋水巷道围岩控制技术效果显著。

5结论

顶板淋水是制约2506运输巷掘进安全的主要安全风险，在顶板淋水作用下巷道围岩弱化、锚网索支护体系强度降低，从而导致围岩变形量增加。

提出采用疏排水、封堵锚杆（索）钻孔、巷道表层喷浆以及强化围岩支护等措施控制巷道围岩变形。现场应用后，在顶板淋水段巷道顶底板、巷帮变形量分别控制在49mm、40mm以内，取得显著围岩控制效果。

【参考文献】

[1]陈晓强.淋水砂岩顶板巷道稳定性与控制技术研究[J].山西焦煤科技，2020，44（10）：37-40.

[2]郝海涛.庞庞塔煤矿回采巷道顶板防治水技术研究[J].煤矿现代化，2020（5）：111-113，116.

[3]王飞.顶板含水巷道掘进过断层时的围岩综合控制[J].山东煤炭科技，2019（12）：76-77，86.

[4]姚强岭，李学华，瞿群迪.富水煤层巷道顶板失稳机理与围岩控制技术[J].煤炭学报，2011，36（1）：12-17.

[5]陈钢林，周仁德.水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究[J].地球物理学报，1991（3）：335-342.

[6]楊天鸿，唐春安，朱万成，等.岩石破裂过程渗流与应力耦合分析[J].岩土工程学报，2001（4）：489-493.

[7]张经纬.碎顶巷道架棚支护向新型锚网索支护转换的研究[J].机械管理开发，2018，33（12）：168-169，187.

[8]张家贵.淋涌水型碎裂顶板淋水量测定及支护设计[J].煤炭与化工，2015，38（12）：60-62.

[9]郭亚欣，宋选民.积水空区下淋水顶板围岩稳定性控制技术研究[J].矿业研究与开发，2019，39（12）：73-79.

[10]何富连，李晓斌，朱恒忠，等.顶板淋水对巷道围岩变形破坏的影响及防治[J].煤矿安全，2019，50（6）：162-165，171.

[11]安彦霖.顶板富水条件下巷道掘进支护技术研究[J].煤矿现代化，2019（4）：35-37，40.