松软有淋水煤巷支护技术应用

刘 真

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000）

井下巷道开挖后，围岩应力发生改变，由三向受力转为两向受力，产生塑性变形。研究表明，对巷道稳定性产生决定性作用的岩层不是强度高的砂岩、灰岩等，而是顶板中存在的泥岩等强度较低的岩层。该类岩层发生离层下沉，如果支护强度不足会发生大面积的冒顶，严重影响煤矿的安全生产[1-5]。

新景矿8118 工作面顶板为厚度6.4 m的泥岩，并且部分地段淋水严重，巷道控制困难，对安全生产造成了影响。

1 工程概况

1.1 地质概况

新景矿8118 综采工作面所采煤层为8 号煤，位于+525 m 水平，地面标高+915～+1 095 m，工作面标高+498～+578 m，埋藏深度为337～597 m。该煤层煤质好，属中灰、中硫的优质无烟煤。工作面煤层厚度2.06～3.71 m，平均厚度2.76 m；煤层结构复杂，含有两层稳定的夹矸，煤层倾角2°～10°，平均倾角6°。8 号煤基本顶为细粒砂岩，平均厚度7.3 m，并夹煤线，硅质胶结，交错层理发育；直接顶为黑色泥岩，厚度6.4 m，比较破碎，夹大量菱铁矿结核，局部相变为砂质泥岩；直接底为3.45 m 的灰黑色砂质泥岩，性硬而脆，含植物碎片化石，下部含砂量较大。

8118 工作面采用走向长壁综合机械化开采，工作面倾斜长度200 m，走向长度2 170 m。工作面两巷均为矩形断面，规格为3.8 m×2.7 m。

1.2 存在的问题

（1）8 号煤的直接顶为黑色泥岩稳定性差，松软易冒落。基本顶为细粒砂岩，含有一层煤线，裂隙发育。从8 号煤其他工作面的巷道情况来看，直接顶和基本顶的稳定性普遍较差，巷道变形严重，对煤矿安全生产造成了一定的影响。

（2）巷道顶板淋水严重。锚索安装时遇水，会在粘结面上形成弱面，并且服务期间遭水浸泡，弱化锚固剂锚固强度，从而降低锚索的锚固力，对支护系统的稳定产生威胁。

2 数值模拟研究

2.1 模型的建立

根据测定的岩石力学参数，利用FLAC3D软件模拟不同支护参数下对巷道围岩的控制效果。

模型X 轴方向为工作面推进方向，顶板方向为Z 轴。计算模型的尺寸为82 m×40 m×47 m，运输巷围岩本构关系采用摩尔—库仑模型。

模型上部边界条件为应力边界条件，应力为均布载荷q，由于本次开挖巷道埋深在467 m 左右，于是原岩应力q=γh=2 500×9.8×467=11.4 MPa，处于平衡状态的模型见图1。

图1 数值模拟模型

2.2 模拟方案

利用该模型对不同锚索长度和排距下的巷道围岩变形进行预计，模拟方案见表1。

表1 锚索模拟方案

2.3 模拟结果分析

（1）锚索长度的确定

在不同锚索长度下，巷道围岩的变形形态基本相似，但数值大小差别较大。不同锚索长度下的巷道围岩变形值见图2。

图2 锚索长度与围岩变形的关系

由图2可以看出，不同锚索长度下的底臌量几乎保持不变，保持在50 mm 左右。对顶板下沉量影响最大。随着锚索长度的增加，顶板下沉量变小，近似呈反比关系。当锚索长度为5.3 m 时，顶板下沉量为123 mm；当锚索长度小于7 m 时，长度对两帮移近量和顶板下沉量的影响最大；当锚索长度由6.8 m 增加为7.8 m 时，对巷道顶板和两帮的控制效果增加不明显，因此锚索长度确定为6.8 m。

（2）锚索排距的确定

在6.8 m 锚索长度下，不同锚索排距的巷道围岩变形见图3。

图3 锚索排距与围岩变形的关系

可以看出，锚索排距大小对整个围岩位移影响较大，尤其是顶板下沉和两帮移近量。锚索排距为0.85 m 增加为1.7 m 后，顶板和两帮变形量分别增加了10.1%、8.46%，说明锚索排距为0.85 m或1.7 m 时对顶板及两帮影响并不十分明显；当锚索排距从1.7 m 增加为2.55 m 时，顶板和两帮变形量分别增加了32.33%、22.17%，当排距继续增加到3.4 m 时，与排距为1.7 m 相比，顶板及两帮变形量分别增加了68.1%、52.8%。很明显，当排距超过1.7 m 时，围岩移近量增长迅速，尤其是排距为3.4 m 时，顶板及两帮变形严重。

3 泥岩夹层淋水巷道支护设计

3.1 支护方案

在数值模拟的基础上，采用工程类比、理论计算等方式确定8118 工作面顺槽的支护方案见图4。

图4 巷道支护设计

（1）顶板支护

顶锚杆为Φ20 mm×2 400 mm 左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，树脂锚固，每根锚杆使用CK2340 树脂药卷两支。锚杆间排距为850 mm×850 mm。顶锚杆配Φ12 mm 的钢筋焊接的钢筋梯子梁，宽度80 mm，长度3 600 mm。

采用Φ15.24 mm，1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索长度6.8 m，钻孔直径28 mm，每根锚索使用CK2340 树脂药卷四支。锚索成“一·一”布置，布置在两排锚杆中间，且位于巷道中间部位，垂直顶板，排距为1 700 mm。

（2）巷帮支护

锚杆规格及锚固方式：杆体为Φ18 mm 普通麻花锚杆，长度1 800 mm，每根锚杆使用两支K3540 树脂锚固剂，间排距为850 mm×850 mm。

3.2 钻孔淋水防治措施

（1）在巷道顶板布置卸水孔

沿淋水大的区域顶板打孔专门用于排水，如果锚杆索钻孔淋水严重，则作为泄水孔，在附近重新补打锚杆或者锚索。

（2）采用防水锚固剂

所有的锚杆和锚索均使用防水树脂锚固剂。该类锚固剂能够在有水的条件下起到很好的粘结、锚固作用，在支护过程中能及时承载，对顶板淋水条件下提高锚杆锚索支护的预紧力起到了很好作用。

4 现场应用

4.1 矿压观测内容

为了验证新支护设计方案的控制效果，研究设计支护参数的合理性，在8118 工作面顺槽中设置测站，进行矿压观测，主要观测内容包括：

（1）巷道表面位移

采用十字布点法观测，测量频率为距掘进头10 m 之内，每1 天观测一次，其它时间每两天观测一次。

（2）顶板离层

每隔50 m 安设一个顶板离层指示仪，离层仪的浅部基点需大于锚杆长度，一般取3 m，深部基点大于锚索的长度，取7.0 m。观测频率与巷道表面位移观测频率相同。

（3）锚杆锚固力和预紧力矩

使用张拉器对锚杆锚固力进行抽检，比例为锚杆排数的10%，每排顶和两帮各抽检一根。顶锚杆锚固力需大于120 kN，帮锚杆需大于80 kN。

采用扭矩扳手对锚杆预紧力矩进行抽检，比例为锚杆排数的30%，顶锚杆每排抽检一根。顶锚杆预紧力矩不得低于180 N·m，帮锚杆不得低于100 N·m。

4.2 矿压观测结果

巷道表面位移的观测结果见图5。

图5 巷道表面位移观测结果

由图5可以看出，巷道掘进后变形速率稳定，到30 d 左右达到稳定，顶板最大下沉量为120 mm。

离层观测数据表明，巷道离层主要发生在锚杆锚固的区域，最大离层值为25 mm，深部基点稳定，未出现离层。

在部分淋水较大的区域，部分锚杆锚固力和预紧力不足，对于不合格的锚杆进行了补打，保证了支护强度。

5 结论

1）8118 工作面顺槽为泥岩顶板，且有淋水，巷道的自稳能力差，受水影响在粘结面上形成弱面，弱化锚固剂锚固强度，降低锚固力，影响支护效果。

2）数值模拟表明，锚索长度和排距对巷道顶板下沉和两帮收敛的影响较大，最终确定锚索长度为6.8 m，排距为1.7 m。

3）通过设置泄水孔、采用防水锚固剂等措施，8118 工作面顺槽断面收缩率小，顶板最大下沉量为120 mm，保证了工作面的正常生产。