3025 运输巷道顶板淋水超前治理技术研究

张 昭

（晋能控股煤业集团大西煤矿，山西 晋城 048000）

1 工程研究背景

煤岩体长时间淋水会产生软化、膨胀等物理变化，使煤岩体的强度降低，发生非线性塑性变形，使其承载能力和稳定性变差[1-3]。煤矿井下经常会遇到顶板淋水的问题，致使顶板软化导致支护失效，容易在采动影响下发生冒顶等事故，对巷道安全稳定性产生不利影响[4-5]。

大西矿3025 工作面回采3#煤，煤层的平均厚度约为2.82 m。3025 运输顺槽布置在3#煤层中，沿顶板掘进。3025 顺槽为矩形断面，断面宽度为5.5 m，高度3.5 m，巷道以锚网（索）支护方式为主。3025 运输顺槽掘进至250 m 处顶板出现淋水，顶板淋水情况如图1。

图1 实际顶板淋水特征

由图1 可知，顶板淋水主要从锚杆或锚索孔隙中流出，长期会腐蚀金属网等。淋水量较大的地方顶板煤体会出现明显的软化现象，已经与顶板剥离，随着淋水持续，会加剧顶板围岩的破碎。

从顶板沿裂隙渗出的地下水来自山西组砂岩中的含水层，是3#煤顶板渗水的主要来源。通过结合地质、物探的结果发现，在巷道250～380 m 处存在K8 低阻富水异常区，预计涌水量为30 m³/h。因此，需要展开顶板淋水的超前治理，防止顶板水害造成安全事故。

2 顶板淋水破坏机理分析

分析顶板淋水破坏机理能为巷道支护设计提供指导。因此，根据实际地质参数，利用FLAC3D有限元模拟软件展开相应的数值模拟研究。模型中煤层厚度为2.8 m。直接顶为粉砂质泥岩，厚度3.1 m；老顶为灰色细砂岩与泥岩互层，平均厚度9.6 m；直接底为泥岩，厚度6.5 m；老底为粉砂岩和泥岩互层，厚度5.5 m。数值模型选择应变软化本构模型，边界上部施加垂直应力3.6 MPa，施加水平应力为4.52 MPa。将模型的左右和底面设定为固定边界。模型中的岩石参数见表1。

表1 煤岩体数值模型参数

根据数值模拟结果可知，巷道开挖引起围岩应力的重新分布。总体来说，两帮应力呈现先增大后减小的趋势，最大水平应力的应力集中区主要在巷道底板。通过对比有淋水和无淋水巷道的应力分布可知：顶板无淋水时，最大垂直应力为3.8 MPa；顶板有淋水时，垂直应力增大为5.3 MPa，应力增长幅度为39.5%。最大水平应力则从6.8 MPa 增长至8.1 MPa，增长幅度为19.1%。

由上述结果分析可知，顶板淋水后煤岩体发生软化，强度降低并发生膨胀，进而加剧了应力集中现象，对最大垂直应力的分布影响较大。

顶板有、无淋水影响下巷道塑性区的分布情况如图2。

图2 顶板淋水模型塑性分布特征

从图2 可知，巷道顶板淋水对巷道顶板的塑性区影响最大，对两帮和底板的影响较小。顶板未受淋水影响时，巷道顶板塑性区最深部为1.8 m，两帮塑性区最大深度为1.5 m。顶板受裂隙水影响后，塑性区最大深度变为3.6 m，两帮塑性区最大深度基本不变，底板塑性区的范围基本不变。因此，对于巷道顶板淋水问题，重点要针对巷道顶板围岩的加固控制，解决巷道顶板的应力集中和塑性变形。

3 淋水巷道围岩控制方案

3.1 淋水巷道注浆思路

发现巷道淋水时，需要探测主要水源，并分析淋水对巷道的影响范围，随后针对性地展开方案设计。目前针对巷道淋水的主要控制方式是注浆堵水，通过封堵导水裂隙来解决巷道淋水的问题，主要工艺流程及治理思路如图3。

图3 淋水巷道围岩控制思路

如图3 所示，当顶板出现淋水时，首先要钻孔探测隔水层的位置。如果隔水层厚度大于2.6 m，则可以采用注浆加固的方法，由注浆材料充填导水裂隙，解决顶板淋水问题。如果注浆效果差，那么要采用层次注浆加固的办法，先对风化严重的浅部围岩注浆加固，随后展开深部隔水层的注浆堵水。

3.2 淋水巷道注浆加固方案

根据地质勘探可知，巷道顶板淋水的主要水源是砂岩裂隙含水层，即为巷道的老顶，故而注浆加固的主要区段是在直接顶以及老顶的中下部。由于直接顶主要为泥岩，岩性较软，注浆加固难以展开，因此注浆加固方案设计着重于老顶的下部，将直接顶部分作为封孔段处理。具体的注浆钻孔布置如图4。

如图4 可以看出，巷道顶板布置3 排钻孔，中间钻孔垂直于顶板，沿着巷道中线布置，两边钻孔距离中间钻孔2000 mm，仰角为75°，距离两帮各750 mm，注浆钻孔全长6000 mm。封孔段设计为2000 mm，主要根据直接顶厚度设计。注浆段设计为4000 mm，为老顶的中下部。两帮各设计两排注浆孔，上排注浆钻孔仰角20°设计，与下排注浆钻孔垂直距离1500 mm，钻孔深度为2500 mm，封孔长度300～500 mm。注浆孔沿巷道走向轴向，按照间距为5 m 平行布置，顶板共施工钻孔78 个，两帮共计128 个。

图4 淋水巷道注浆钻孔布置图

顶板的封孔主要采用“两堵一注”的工艺，封孔管两端各缠绕300～500 mm 长的棉花等防漏浆材料，中间段展开注浆加固。两帮注浆孔的封孔则是在孔口处用棉花等材料封堵300～500 mm 即可。封孔材料采用矿方的无机单液加固材料，水灰比为1.0:1，封孔注浆压力设计为3 MPa。

注浆段材料与封孔段注浆材料一致，水灰比设计为0.8:1，注浆压力设计为5～8 MPa，浆液可以在15 min 内初凝，注浆材料能够快速充填围岩裂隙，起到良好的堵水效果。

注浆加固按照先两帮后顶板的次序展开，可以有效提高巷道中上部分围岩的注浆加固效果，注浆过程中出现漏浆等情况可适当减小注浆压力，待浅部围岩浆液凝固后继续展开注浆堵水。

3.3 淋水巷道超前堵水效果分析

注浆加固结束后，在淋水巷道段的中部，选择注浆孔旁侧完好顶板展开钻探。主要是通过钻孔窥视和淋水量统计两方面分析顶板堵水效果。

（1）注浆效果分析。注浆堵水效果好坏主要由浆液能否填充顶板围岩裂隙、封堵导水裂隙所决定。因此首先展开钻孔窥视，观察浆液与顶板淋水围岩的胶结状态，如图5。

钻孔窥视的长度为6 m，从图5 可以看出，钻孔内孔壁整体光滑，煤岩体中的裂隙被浆液充填，浆液能够较好地与煤体胶结。

图5 钻孔窥视结果

（2）巷道淋水量统计。多数钻孔在钻进过程中未见淋水情况，其中部分锚杆索孔周围仍出现淋水情况，推测是由于锚杆索加固的松动圈范围大于注浆加固的范围，即锚杆索长度大于6 m。针对这一情况，在出现淋水现象锚杆索孔的附近补打注浆钻孔，展开补充注浆堵水。

对淋水段巷道超前治理过后，在巷道掘进过程中观测巷道顶板的淋水情况。原有的淋水情况完全消失，只有部分锚索孔位置有微小的滴水现象。根据统计可知，注浆堵水段的巷道总体的淋水量小于1 m3/h，对巷道安全掘进没有影响。

4 结论

（1）针对3025 运输顺槽顶板淋水问题，利用数值模拟，分析了顶板淋水对巷道应力和塑性区分布的影响。

（2）根据巷道塑性区分布，设计了淋水巷道注浆加固方案，并在锚索孔淋水处适当补强。注浆结束后，通过钻孔窥视和淋水量统计可知，顶板裂隙充填效果良好，巷道最大淋水量为1 m3/h，注浆堵水效果良好。