亿欣煤业顶板淋水巷道围岩控制技术应用研究

关 欣

(晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部，山西 晋城 048000)

1 工程概况

晋煤集团晋圣亿欣煤业15号煤层厚度为2.58～3.6 m，平均厚度2.82 m，煤层稳定程度为较稳定，由煤层底板向上依次为1.07 m煤，0.45 m夹矸，1.3 m煤，变异系数为30%，煤的容重为1.51 t/m3，普氏硬度f=2～4，可采指数为1，对回采无影响，煤层倾角为2～10°，平均4°.上覆K2石灰岩层间裂隙水采后下渗，现矿井涌水量为60 m3/h，预计回采期间最大涌水量为250 m3/h，正常涌水量为60～80 m3/h.XV2301工作面为十五号煤层、位于十五号煤二盘区，工作面标高：最低864 m，最高936 m.XV2301工作面机辅1号联络巷沿15号煤层顶板掘进，前期在辅助运输巷顶板施工两个长距离定向钻孔，巷道采用传统的锚网索支护，淋水量约10 m3/h，巷道掘进约5 m时顶板出现明显的下沉，巷道具体布置情况及原支护方案见图1，为有效控制巷道围岩展开相关研究。

图1 1号机辅联络巷平面布置图及支护断面(mm)

2 巷道围岩及支护条件实测

2.1 围岩强度原位测试

为掌握XV2301工作面机辅1号联络巷围岩强度特征，在巷道附近采用钻孔触探法进行原位实测，装置名称为WQCZ-56型强度测试装置，该方法是通过对巷道围岩进行钻孔，然后将探针送入孔内，探针在孔内的深度通过位移指示仪，手摇泵压力表显示的最高压力读数即为该深度孔壁岩层的临界强度，其原理如图2(a)所示，该方法能够解决取样难、岩样加工耗时长的问题[1-2]，并且可测量不同深度煤岩体的强度，测试孔布置在巷道顶板，整理得到顶板岩层强度随深度的变化规律如图2(b)所示，由测试结果可以看出，顶板岩层深度2.0 m以下的浅部岩层强度较低，强度在5.85～14.93 MPa之间，平均强度为6.55 MPa，深度为2.0～5.8 m范围内的岩层强度为14.75～19.49 MPa之间，平均强度为16.68 MPa，由此表明，顶板浅部岩层破碎严重、强度低，顶板岩层整体强度均小于20 MPa，属于软弱岩层。同样对两帮煤体进行实测，得到15号煤平均强度为9.3 MPa，XV2301工作面机辅1号联络巷属于典型的软岩巷道。

图2 围岩强度测试原理及结果

2.2 围岩岩性成分分析

采用X衍射技术对顶板岩层成分进行分析判断，结果表明15号煤层顶板泥岩中粘土类矿物含量达到39.89%，且粘土矿物中蒙脱石含量达47%，蒙脱石是一种强膨胀性矿物，遇水后体积可膨胀至数倍甚至十几倍[3]，此类矿物含量越高，岩石遇水软化、崩解的现象越明显，强度降低越显著，15号煤层顶板岩层内粘土矿物总体含量较高，巷道顶板遇水软化，是导致巷道支护困难的重要原因。

2.3 锚杆支护性能测试

XV2301工作面机辅1号联络巷顶板支护主要依赖顶板锚杆、锚索，通过对锚杆施加高预紧力来提高顶板岩层的抗变形能力[4]，为探究巷道顶板岩层变形破坏原因，掌握锚杆支护性能尤为重要，在井下进行拉拔试验来测试顶板锚杆的性能，通过对比分析顶板淋水区域、非淋水区域顶板锚杆载荷的差异，判定顶板岩层的可锚性。拉拔试验测试点设置在XV2301工作面机巷内，测试加结果见表1.

表1 顶板锚杆拉拔试验测试结果

根据表1所示顶板锚杆拉拔试验结果可以看出，巷道顶板不淋水的情况下，顶板锚杆平均锚固力约为86.7 kN，当锚固力不小于60 kN视为合格，顶板不淋水情况下所有锚杆均合格，说明顶板岩层可锚性良好。顶板淋水区域锚杆拉拔测试结果表明，测试的3根锚杆中，仅1根锚杆锚固力大于60 kN，锚固力平均值为50.4 kN，锚杆锚固力仅为不含水围岩的58.13%，说明顶板岩层内的水不仅削弱其自身强度，且对锚杆的锚固性造成很大的影响，使顶板锚杆的支护效果显著减弱。

3 巷道围岩破坏原因及支护对策

根据现场勘察、测试结果，15号煤层及顶板岩层内裂隙发育、强度低，顶板泥岩中黏土类矿物占比过高，顶板岩层遇水后膨胀、软化现象明显，且顶板锚杆锚固力显著减小，导致巷道围岩整体稳定性差，造成井下巷道变形和破坏。针对顶板淋水区域巷道变形破坏原因，原有支护系统存在以下缺点：①支护强度不足；原有支护顶板及两帮锚杆锚固效果差，支护强度低，无法控制围岩的遇水膨胀、软化、崩解破坏等现象；②顶板锚杆作用未全部发挥；淋水区域顶板的可锚性差，锚杆可承受载荷很小。通过上述分析，认为对于深部软岩巷道应采取“增大护表面积、注浆加固、全长高应力锚固”等措施，据此设计XV2301工作面1号机辅联巷采用“机械锚固注浆锚杆+架棚+喷浆”联合支护技术。

结合上文研究结果，顶板淋水区域锚杆的锚固力仅为非淋水区域的58.13%，可锚性差，顶板岩层整体强度较低，因此设计顶板锚杆采用自旋注浆锚管，其具体形式见图3(a)，锚管外径42 mm，内径26 mm，总长2 500 mm，钻孔直径40 mm，自旋锚杆安装完成后，架设25U型钢筋棚，排距900 mm，然后进行表面喷浆封闭作业，喷层厚度约为100 mm，材料为C15混凝土，自旋注浆锚杆采用水泥水玻璃双浆液，压力控制在3～5 MPa，锚杆端头处配备W型钢护板增大护表面积，每根锚杆采用两支ZK2360型树脂药卷加长锚固，XV2301工作面1号机辅联巷支护见图3.

图3 XV2301工作面1号机辅联巷支护详情(mm)

4 应用效果分析

亿欣煤业XV2301工作面1号机辅联巷采用上述支护方案恢复掘进后，在巷道中段设置表面位移监测站，定期监测顶板下沉量及两帮移近量，得到原支护方案及新支护方案条件下表面变形随时间的变化规律。由图4可知，原支护方案条件下，成巷20 d内，顶板下沉量及两帮移近量迅速增大，分别达到278 mm、282 mm，且之后表面变形量仍缓慢增大，成巷60 d后顶板下沉量达423 mm，两帮移近量达438 mm，围岩变形较严重。新支护方案条件下，成巷约20 d后，巷道表面变形量基本稳定，成巷60 d后，顶板下沉58 mm，两帮移近71 mm，围岩整体稳定，相对于原支护方案分别下降86.3%、83.8%，支护效果显著改善，有效控制了巷道围岩的失稳破坏。

图4 1号机辅联巷表面变形规律

5 结 语

1) 通过地质力学测试表明，XV2301工作面1号机辅联巷顶板岩层主要为泥岩，平均强度为16.68 MPa，15号煤平均强度9.3 MPa，巷道围岩属于典型的软弱岩层。

2) 通过X射线衍射、锚杆拉拔试验表明，巷道顶板岩层内粘土类矿物含量较高，此类岩层遇水膨胀软化现象显著，淋水区域顶板锚杆锚固力仅为非淋水区域的58.13%，顶板可锚性差。

3) 结合巷道围岩地质条件，设计采用“机械锚固注浆锚杆+架棚+喷浆”联合支护方案，方案实施后，相较于原支护方案巷道表面变形量减小80%以上，支护效果良好。