台头前湾煤矿富水顶板巷道围岩控制技术研究

郭晓辉

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

1 工程概况

1.1 工作面地质条件

台头前湾煤矿2S202 综采工作面位于2#煤层，煤层厚度2.8～3.38 m，平均为3 m，倾角为3°～8°，平均为5°。煤层含0～2 层夹矸，结构简单。其顶底板岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

2S202 综采工作面目前在掘进运输顺槽，长度935 m，巷道设计为矩形断面，净宽4.5 m，净高3.0 m，沿煤层底板掘进。根据综合物探分析，2 号煤层以上40～60 m 为K8 砂岩含水层，钻孔抽水试验单位涌水量0.000 127 L/s·m，属于弱富水含水层。而煤层顶板为泥岩和粉砂岩组成的弱胶结层，其受水影响后的强度将大幅度降低，因此，需采取一定措施保证2S202 运输巷淋水区域的稳定性[1-5]。

1.2 围岩矿物组分分析

水对2S202 运输巷弱胶结顶板的破坏作用主要体现在微观结构上，因此，采用室内XRD 衍射仪对顶板的矿物组分进行明确。通过试验得出，2S202 运输巷顶板围岩中的主要矿物成分及含量如下：伊蒙混层7.5%，伊利石6.9%，蒙脱石8.8%，石英13.6%，绿泥石22.5%，高岭石33.2%。高岭石的吸水性极强，蒙脱石与伊蒙混层遇水后会剧烈变形膨胀，因此，高岭石吸水后造成顶板围岩含水量逐渐上升，而围岩中的蒙脱石及伊蒙混层在富水环境下剧烈膨胀，从而引起顶板中泥岩崩解。同时，绿泥石极易风化，顶板泥岩遇水崩解后造成围岩孔隙裂隙增多，进而导致顶板在水化及风化作用下发生严重变形。

2 巷道顶板弱化规律分析

2.1 数值模型建立

基于2S202 运输顺槽实际地质条件，采用COMSOL 数值模拟软件建立模型，模型高70 m，宽90 m。在模型顶部施加一定的均布载荷模拟上覆岩层重力，模型两侧及底部为不可流动的渗流边界，巷道开挖断面为宽×高=4.5 m×3.0 m，巷道四周为可流动渗流边界。模拟中各岩层的物理力学参数见表2。

表2 煤岩体物理力学参数

2.2 模拟结果分析

模拟中顶板支护强度分别为无支护、0.2 MPa及0.4 MPa，并分析各支护强度在顶板不同含水率下对围岩的控制效果，其中顶板含水率分别为3%、4%、5%、6%。模拟结果如图1。

图1 不同状态下巷道顶板位移云图

由图1 可知，顶板的下沉量随着含水率的增加而增加，说明弱胶结顶板的强度受水化作用影响大幅度降低，而支护强度的提高可以防止顶板的进一步变形。

富水顶板在不同状态下的最大下沉量如图2。由图2 可知，巷道不进行支护的条件下，顶板含水率为3%时的顶板最大下沉量为62 mm，含水率为6%时的顶板最大下沉量为240 mm，较3%顶板含水率时增加了78.3%；巷道支护强度为0.4 MPa 的条件下，顶板含水率为3%及6%时的顶板最大下沉量分别为33 mm、121 mm，较无支护条件下的最大下沉量分别降低了46.8%、49.6%。

图2 不同状态下巷道顶板下沉量

由此可见，影响巷道变形的首要因素为顶板含水率，其次是支护强度。因此，在进行巷道围岩控制时，需先进行顶板的防治水处理，降低水对顶板软岩的弱化程度，其次针对性地加大支护强度，从这两个方面入手保证顶板富水巷道的稳定性。

3 富水顶板稳定性控制方案

根据数值模拟分析结果，提出“锚索保水注浆+布置巷道疏水孔+锚喷支护”的富水顶板巷道围岩控制方案。

3.1 锚索保水注浆

通过对锚索孔注浆，可以实现顶板小范围的保水效果，如图3 所示。施工步骤为：打锚索孔→安装锚索→安设注浆锚杆→张紧锚索→注浆。在注浆锚杆安设好后，需采用封泥等材料对孔口进行封堵处理。对锚索孔进行保水注浆处理的目的主要为：（1）注浆后提高了围岩的完整性，裂隙大部分闭合，使得顶板中的流动水变为静态；（2）浆液可以保护锚索不受水的腐蚀影响，保证了其支护强度；（3）锚索进行全长锚固，并通过张紧提高了对围岩的控制效果。

图3 锚索保水注浆示意图

3.2 布置巷道疏水孔

在2S202 运输巷地势相对较低的地方每隔100 m 布置一个钻机窝子，其尺寸为：深×宽×高=3. 5 m×4. 0 m×4. 3 m，并在钻机窝子内布设蓄水池及疏水孔，如图4。

图4 疏水孔布置示意图

其中，1#疏水孔为加强疏水孔，孔位朝向与巷道掘进方向呈135°夹角，钻孔深度100 m，向上仰斜50°施工，主要用于疏放掘进面后方的顶板水。2#疏水孔为超前预疏水孔，其孔位朝向与巷道掘进方向呈45°夹角，钻孔深度及仰角与1#孔一致，主要用于疏放掘进面前方的顶板水。两个孔配合疏水，可使得顶板含水率大幅降低。

3.3 锚喷支护

为改善巷道的淋水环境，对巷道围岩进行锚喷支护，对掘进工作面迎头先预喷混凝土浆50 mm，随后挂网并打锚杆，再进行50 mm 的复喷，喷浆厚度总计100 mm。

顶锚杆规格为Φ22 mm×2200 mm 的高强度无纵筋螺纹钢锚杆，间距800 mm，排距800 m，每排打6 根，靠近巷帮肩窝处的2 根锚杆向外倾斜20°施工；顶锚索为Φ20. 6 mm×6800 mm，锚索孔采用小孔径，并配套注浆锁具，间排距1400 mm×1600 mm，每排3 根；帮锚杆材质与顶锚杆一致，间排距为800 mm×800 mm，靠近顶板的帮锚杆向上与水平线夹角20°施工，靠近底板的帮锚杆向下与水平线夹角20°施工。巷道平面支护如图5。

图5 巷道平面支护图（mm）

4 支护效果分析

为分析评价围岩控制方案的效果，采用十字布点法对淋水段巷道围岩的变形进行监测，监测结果如图6。

由图6 可知，巷道掘进通过顶板富水区初期，监测点的围岩变形速度较快，且顶底板的移进速度相对高于两帮；监测点的围岩变形于35 d 后趋于平稳，其顶底板最大移近量约为50 mm，两帮最大移近量约为40 mm，围岩变形量较小，满足矿井安全生产需求。说明该方案取得了良好的围岩控制效果，保证了矿井的安全生产。

图6 巷道表面位移监测曲线

5 结论

（1）台头前湾煤矿2S202 运输顺槽顶板为弱胶结岩层，矿物成分中含有大量的蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石，在水化、风化作用下极易膨胀变形，导致围岩强度大幅降低。

（2）通过数值模拟得出，影响巷道变形的首要因素为顶板含水率，其次是支护强度，可从这两个方面入手保证顶板富水巷道的稳定性。

（3）根据数值模拟分析结果及现场条件，提出了“锚索保水注浆+布置巷道疏水孔+锚喷支护”的富水顶板巷道围岩控制方案，并在现场实践中取得了良好的控制效果。