黑龙煤矿顶板淋水巷道支护技术研究与应用

郭宁静

（潞安化工蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

潞安集团黑龙煤矿位于山西省临汾市蒲县，井田地质构造相对简单，含有12 层煤，4 层煤可采。其中2 号煤层已经开采完毕，9 号、10 号、11 号煤为目前矿井的主要可采煤层。10号煤与11号煤合并，厚度为4.8 m，距离9 号煤的平均距离为1.6 m，三层煤采用放顶煤的方式一次性回采。21 采区煤层顶板富水，在掘进及回采过程中，回采巷道部分区域淋水严重，巷道变形量大，实现淋水条件下的安全回采成为保障煤矿高产高效的关键。

1 工程概况

2103 工作面位于1040 m 水平21 采区，东面为采区准备大巷，西面为井田边界，北面未开采，南面为已经回采的2101 工作面，保护煤柱的宽度为30 m。工作面标高1050～1235 m，地面标高为1273～1430 m。9 号煤的平均厚度为0.8 m，9 号煤无直接顶，上覆0.6 m 的泥岩伪顶随采随落，伪顶之上为13.7 m 的致密坚硬的石灰岩，如图1。

图1 9 号～11 号煤层位关系图

工作面开采方式为综合机械化放顶煤，割煤高度3.0 m，放煤高度4.2 m，全部垮落法管理顶板，倾斜长度为190.5 m，走向长度726 m。工作面运输顺槽为矩形断面，规格为4500 mm×3000 mm，沿煤层底板掘进。

2 巷道失稳特征分析

2.1 淋水巷道失稳特征

三层煤同采的工作面顺槽以锚网支护为主，部分锚杆失效严重的区域采用工字钢进行了补强支护，但控制效果不理想。该采区工作面顺槽的变形破坏特征主要表现为：

（1）巷道部分区域顶板淋水现象明显，部分顶板煤岩体泥化明显，在水的影响下形成松动冒落区，煤岩体产生膨胀变形。

（2）部分锚杆索支护体在长期淋水条件下，产生严重腐蚀，托盘脱落，锚网大面积破断，与顶板及两帮分离，部分顶板梯子梁锈断，严重影响了支护性能。

（3）由于顶板下沉量大，工字钢各部分受力不均匀，中部受应力集中影响破坏严重，无法控制巷道的变形。

2.2 淋水围岩强度测试

在井下对11 号煤和顶板泥岩、石灰岩取样，实验室内进行饱水和干燥条件下的强度试验。试块的规格为Φ50 mm×100 mm，分为两组，一组为干燥试块，在烘干机中进行烘干至质量保持不变；一组在井下取的水样中进行浸泡，浸泡时间不得小于48 h。试验结果见表1。

表1 顶板煤岩体力学参数测试结果

由表1 可以看出，顶板煤岩体在饱水状态下的力学参数均有不同程度的下降，下降幅度均在20%以上。其中顶板石灰岩和11 号煤的单轴抗拉强度下降幅度超过50%。

3 控制技术及应用

对于淋水条件下的巷道，应从两方面进行变形控制。首先是探放水，严格执行防治水措施，减少巷道的出水，从根本上降低水对围岩强度的弱化。同时巷道掘进期间，采用高强度的支护材料，强化围岩弱面，控制裂隙的发展，保证巷道回采期间的稳定[1-6]。

3.1 探放水

2103 工作面运输顺槽的淋水来源为顶板灰岩裂隙水，在掘进过程中采用疏水降压的方式，在掘进头布置扇形疏水孔，钻孔垂距为2.0 m，平距为3.5 m。钻孔布置如图2。

图2 扇形疏水孔布置

钻孔孔径75 mm，钻孔角度在60°～70°之间，深度不得小于顶板石灰岩厚度，保证在20 m 以上。

3.2 巷道支护

根据2103 运输顺槽的地质条件，在理论计算、数值模拟、工程类比等基础上确定支护方案如图3所示。顶板淋水区域采用添加了NS-1 不饱和聚酯树脂的防水锚固剂，在干燥区域，采用常规锚固剂。

图3 巷道支护方案（mm）

3.2.1 顶板支护

（1）顶板支护

顶锚杆为Φ18 mm×2400 mm 的高强螺纹钢锚杆，每排布置6 根，间距如图3，排距为900 mm。配两卷CK2360 树脂药卷加长锚固，顶锚杆之间采用Φ10 mm 的钢筋焊成的梯子梁连接。

（2）锚索支护

锚索桁架规格为Φ17.6 mm×9400 mm，钻孔深度为9 m，采用四卷CK2360 树脂药卷锚固，锚索呈五花布置，间排距为1000 mm×900 mm。

3.2.2 巷帮支护

帮锚杆为Φ18 mm×2000 mm 的高强螺纹钢锚杆，配两卷CK2335 树脂药卷锚固，间排距为900 mm×900 mm，每帮布置5 根，采用梯子梁连接。

3.2.3 其他支护

部分顶板淋水大的区域在以上支护的基础上采取如下加强措施：

（1）设置泄水孔

锚杆索钻孔施工中对部分涌水量大、安装困难的钻孔，设置为泄水孔，在间隔不大于500 mm 的区域重新打孔安装。同时每隔10 m施工一个泄水孔，尺寸为Φ20 mm×5000 mm，设置在锚杆排之间。

（2）注浆封闭

巷道掘进过程中对顶板破碎并且淋水严重的区域，在支护过程中，穿过含水层之前，进行注浆封闭。注浆材料为马丽散，该材料可快速凝固，无渗水性，可迅速封堵裂隙水。

3.3 现场应用

3.3.1 锚杆受力

巷道施工过程中，进行了锚固剂与防水锚固剂对锚杆锚固性能的对比试验，设置四种不同的方案。方案一、二选择顶板无淋水区域分别采用常规锚固剂和防水锚固剂，方案三、四为在淋水区域分别采用常规锚固剂和防水锚固剂。每种方案设置三组，每组3 根锚杆，分别进行锚固剂测试，结果见表2。

表2 顶锚杆锚固剂检测结果（kN）

由试验结果可以看出，在干燥条件下，防水锚固剂和常规锚固剂的锚固性能差别较小，但遇到顶板淋水后，常规锚固剂的锚固性能有较大幅度下降，下降幅度为28.9%，严重影响支护安全，而防水锚固剂的锚固性能几乎不变，保持在125 kN 以上。

3.3.2 巷道表面位移

巷道掘进过程中，在淋水区域和干燥区域分别设置三个测点，对巷道表面位移进行观测，其中测点一位于干燥区域，测点二位于淋水区域。观测结果如图4。

图4 巷道表面位移观测结果

由观测结果可以看出，新支护方案的顶板支护效果较好，淋水区域的巷道顶板变形与无淋水区域差别不大，顶板最终下沉量为41 mm，两帮移近量为21 mm。

4 结论

（1）巷道受淋水影响，顶板煤岩体发生泥化，产生膨胀变形，形成松动冒落区，同时部分锚杆索腐蚀严重，托盘脱落，支护能力降低，造成巷道变形严重。

（2）实验室结果表明，9 号煤顶板煤岩体在饱水状态下的力学参数均有不同程度的下降，下降幅度均在20%以上。其中顶板石灰岩和11 号煤的单轴抗拉强度下降幅度超过50%。

（3）顶板淋水条件下，常规锚固剂的锚固性能有28.9%的下降，而防水锚固剂的锚固性能几乎不变，保持在125 kN 以上。

（4）通过采取防水锚固剂、设置泄水孔、注浆加固等措施，2103 运输顺槽巷道变形量小，顶板最终下沉量为41 mm，两帮移近量为21 mm，取得了较好的支护效果，可为类似条件下的巷道支护提供参考。