厚层泥岩淋水顶板过断层锚注架联合支护技术

2020-06-02赵华全王海川张欢欢

陕西煤炭 2020年3期

赵华全，王伟，王海川，张欢欢

(陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600)

0 引言

断层是地壳上普遍分布的一种地质构造，是构造运动产生的地应力超过组成地壳煤岩体的强度极限时，发生断裂的现象，断裂后的煤岩体沿破裂面发生位移，该断裂构造称之为断层，断层结构一般较为破碎，常夹带软弱夹层和风化碎屑，并可能为附近富水地层的导水通道，其岩体自承能力较差，给矿井安全生产造成极大威胁[1-3]。地下水是影响煤矿安全生产的重要因素之一。巷道顶板淋水，不仅弱化顶板岩性，同时使支护构件锈蚀，降低锚杆索支护承载力，尤其泥岩顶板，受淋水影响极易出现碎胀、泥化现象，严重时易造成局部漏顶或冒顶事故发生[4]。因此，研究过断层期间厚层泥岩顶板淋水条件下巷道变形机理，对解决顶板淋水条件下的巷道支护难题具有重要的意义。结合胡家河煤矿北西辅运大巷过断层穿层期间顶板淋水条件下厚层泥岩顶板巷道支护工程实践，对淋水条件下围岩稳定性及支护技术进行探究。

1 工程背景

1.1 工程概况

北西辅助运输大巷是胡家河煤矿承担西北盘区延伸的辅助运输巷道，北西大巷共布置3组，该巷道为优先掘进巷道。设计布置于侏罗系中统延安组4号煤层中，地表标高+870～1 200 m，井下标高+475～+430 m，煤层平均厚度9 m，顶底板岩性以灰色、深灰色泥岩为主，巷道为直墙半圆拱型断面，掘宽6 240 mm，掘高5 020 mm，采用锚索网联合支护方式，顶板锚杆为φ22 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合W型钢带支护，间排距700 mm×700 mm矩形布置，锚索为1×19股高强φ21.8 mm×7 100 mm钢绞线锚索，间排距1 200 mm×1 400 mm，“6-6”布置。目前已掘进完成2 450 m，正头掘进期间揭露一条DF22正断层，走向NEE，倾向NNW，倾角78°，断层落差0～9 m，断层示意图如图1所示。

图1 断层示意图

1.2 围岩特性

目前巷道穿断层下盘，为全泥岩巷道，泥岩与砂质泥岩均具有亲水性，岩石胶结性差，遇水易产生损伤，岩石中节理、裂隙由于水的浸入产生崩解、软化、甚至泥化，使岩石的承载能力明显减弱，泥岩抗崩解能力低，软化性较强，北西辅运大巷围岩力学性质见表1。巷道顶板上部4 m位置为煤层底板，掘进过程中受断层影响伴有淋水现象，随工作面掘进，淋水不断增大，成线状，水量达15 m3/h。受淋水影响，顶板泥岩遇水碎胀、泥化，顶板出现下沉，围岩完整性下降、强度降低的崩解软化特征非常明显，局部漏顶，支护困难。

表1 北西辅运大巷围岩力学性质

2 围岩破坏机理及支护技术

2.1 巷道围岩及支护破坏机理

断层对巷道顶板淋水影响：该巷道充水水源为侏罗系延安组、直罗组及白垩系洛河组顶板含水层，掘进期间主要影响为延安组煤系地层，为承压含水岩组，具有一定富水性、承压性，补给源较远，补给水头亦高，原巷道布置于煤层中，正常掘进期间未见明显淋水现象。但受断层影响，巷道掘进穿断层面后进入断层下盘，为全泥岩巷道，巷道围岩裂隙发育明显，断层面岩体整体性较差，自主承载能力及阻水性较弱，极易导通上覆含水层，出现淋水现象。

顶板淋水对巷道围岩的破坏机理：软岩巷道之所以难以支护一方面是因为软岩的本身承载能力低，另一方面是因为软岩巷道中巷道围岩岩层中含有很多的裂隙及结构弱化面，一旦遇到含水层时将加剧岩石弱化。在厚层泥岩巷道中，水是泥岩力学性质发生变化的最主要因素之一，水能快速或逐渐地改变岩石状态，使其变形特征及围岩强度发生改变。水对巷道围岩的破坏作用一般体现在两个方面，一方面水在煤岩体中流动对已存在的围岩裂隙及节理进一步疏导，并在煤岩体中产生软化作用，在节理及裂隙发育较明显的不连续面中起到润滑效果；另一方面水的存在改变了煤岩体的物理力学性质，使其单轴抗压强度减低，内摩擦角和黏结力减小，进而造成围岩强度降低。加之在掘进过程中对围岩不及时封闭，由于围岩长时间的暴露，就会加剧岩体的泥化及风化过程，造成更加明显的节理化特征[5-7]。

顶板淋水对支护破坏机理：对于锚网索支护的巷道中，顶板水对锚固支护效果的破坏也是很明显的，在进行锚杆索支护过程中，顶板水的存在不仅降低了锚固剂的粘结性，减慢锚固剂反应速度，支护中顶板水沿着锚索孔外流，造成部分锚固剂流失，进一步减少了锚杆索锚固长度，使得锚固力或预紧力难以满足要求。对于即便锚固成功的锚杆索，由于顶板淋水的存在，对巷道围岩中的支护材料，如锚杆索体、托盘和钢筋网等金属构件造成锈蚀作用，在一定程度上同样降低了支护材料本身的力学性能，导致支护系统可靠性下降。支护结构的锈蚀破坏，性能降低，导致通过锚杆索施加给围岩的预紧力降低，从而影响锚固结构的支护效果[8-9]。

2.2 锚注架喷联合支护技术

支护理念：支护理论认为，提高巷道围岩支护，一般采取两种有效措施，一种是通过有效改善巷道围岩内部结构及煤岩体性能来提高巷道支护效果；第二种是采取外在措施被动提高巷道煤岩体支护[10-11]。改善围岩的自身结构，提高围岩承载上覆岩层压力的能力，充分发挥围岩潜在的自主承载能力，然后再给与巷道围岩被动支护，往往能达到非常好的支护效果。

巷道喷浆和围岩注浆：目前对于改善巷道围岩自身结构，充分利用巷道围岩自主承载能力的措施主要有巷道喷浆和围岩注浆两种，其中巷道围岩注浆是利用浆液把围岩的各种弱面充实，并把弱面充填体和四周岩体重新胶结起来，封堵围岩的裂隙，隔绝空气来防止围岩风化，并且能封闭水源，减少水对围岩的泥化作用及防止围岩被水浸湿而造成围岩强度降低，从而提高围岩的整体稳定性及其力学性能，改善围岩的物理力学性质，增强巷道围岩自主承载能力。巷道喷浆主要是利用混合物喷层与巷道浅部围岩铰接一起，共同形成组合拱结构，以支撑围岩、封闭围岩防止风化作用。

围岩注浆配合锚喷支护：在巷道四周形成一个有效的组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，形成多层组合拱结构，扩大提高有效承载范围、支护结构的整体性和承载能力，该支护机理如图2所示。

1-支护构件；2-注浆管；3-U型钢棚承载结构；4-浆液扩散范围；5-支护作用锚固承载壳；6-混凝土喷层形成的组合拱图2 巷道锚注喷加固支护机理

3 工程应用

3.1 支护思路

详细背景：胡家河煤矿北西辅助运输大巷为直墙半圆拱形巷道，直墙高1.6 m，掘宽6 240 mm，掘高5 020 mm，净宽6 000 mm，净高4 600 mm，S掘为27.14 m2，S净为23.73 m2。巷道过F22断层，目前穿下盘岩巷掘进，巷道顶板距离煤层底板4 m，煤层厚度约6 m，煤层坡度+3°，巷道施工坡度+6.5°。

支护步骤：①巷道正头斜向掘进方向布置卸水钻孔，通过施工泄水钻孔来降低或者消除钻孔附近的涌水；②超前预注浆，提高巷道围岩(泥岩)的整体性和自身承载能力；③取消锚杆支护，采用全锚索高强支护实现对围岩的主动支护；④架设29U型钢棚增加外在承载能力，提高支护系统可靠性；⑤喷射混凝土封闭围岩。

3.2 具体支护参数

布置卸水孔：巷道为厚层泥岩渗水顶板，靠顶板前端使用锚索支护工具施工一排卸水钻孔，钻孔迎掘进方向前上方75°角施工，每排布置3孔，正顶与两肩窝各一组，排距3 m，深度7.5 m。

超前预注浆：注浆设备为2ZBQ-6/12型气动高压双液注浆泵，注浆材料为SCPJG-2矿用复合加固材料是由A、B两种组分的复合材料，该材料抗压强度高，遇水不发泡，粘结性好，适用于含水、松散、破碎的煤岩体断层带、陷落柱、煤岩层破碎带的超前加固。注浆孔“5-3-5”布置。长孔深度为5 m，花管1 m，短孔深度为3 m，花管0.5 m，封孔深度均1.5 m，孔间距为1.5 m，排距为1.5 m，施工角度均斜向掘进方向45°，注浆压力不小于4 MPa。

巷道锚索支护参数：采用全锚索支护，锚索规格为φ21.8 mm×7 100 mm，“6-6”布置，间排距为700 mm×700 mm，施工于“W”型钢带孔位置，每根锚索使用2支K2360型和1支Z2360型锚固剂锚固，预紧力≥200 kN。配套使用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盘及双层φ6.0 mm钢筋网，网幅900 mm×1 700 mm，网格为100 mm×100 mm，错差使用。

架设U型钢棚：29U型钢棚规格为宽6.0 m，高5.0 m，棚间距800 mm，棚腿与拱部棚梁用卡缆连接，搭接长度≥500 mm；两棚之间用5根拉板拉紧，棚梁上方的空顶部分和棚腿空帮部分必须用“井”字型木垛接实。在U型棚两侧棚腿0.5 m、1.8 m高位置，棚梁两端距卡缆0.5 m的位置各打设2根φ15.24 mm×3 500 mm锚索固定棚腿。架棚完成后及时对巷道进行混凝土喷浆封闭厚度≥120 mm，强度不低于C25。巷道支护示意图如图3所示。

图3 巷道支护示意图

3.3 支护效果

通过对北西辅助运输大巷进行矿压观测，巷道掘进期间，围岩较为稳定再未出现明显下沉及漏顶现象，顶板淋水明显减少，断层面前后巷道围岩下沉得到控制，两帮再未发生收敛，具体巷道及围岩表面位移变形如图4所示。通过1#测点观测分析可知，巷道仍存在底鼓现象，底鼓最大变形量可达到100 mm，帮部最大收敛60 mm，顶板较为稳定，下沉量得到明显控制。