張 昭

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大西煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程研究背景

煤巖體長時(shí)間淋水會(huì)產(chǎn)生軟化、膨脹等物理變化，使煤巖體的強(qiáng)度降低，發(fā)生非線性塑性變形，使其承載能力和穩(wěn)定性變差[1-3]。煤礦井下經(jīng)常會(huì)遇到頂板淋水的問題，致使頂板軟化導(dǎo)致支護(hù)失效，容易在采動(dòng)影響下發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，對巷道安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[4-5]。

大西礦3025 工作面回采3#煤，煤層的平均厚度約為2.82 m。3025 運(yùn)輸順槽布置在3#煤層中，沿頂板掘進(jìn)。3025 順槽為矩形斷面，斷面寬度為5.5 m，高度3.5 m，巷道以錨網(wǎng)（索）支護(hù)方式為主。3025 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至250 m 處頂板出現(xiàn)淋水，頂板淋水情況如圖1。

圖1 實(shí)際頂板淋水特征

由圖1 可知，頂板淋水主要從錨桿或錨索孔隙中流出，長期會(huì)腐蝕金屬網(wǎng)等。淋水量較大的地方頂板煤體會(huì)出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，已經(jīng)與頂板剝離，隨著淋水持續(xù)，會(huì)加劇頂板圍巖的破碎。

從頂板沿裂隙滲出的地下水來自山西組砂巖中的含水層，是3#煤頂板滲水的主要來源。通過結(jié)合地質(zhì)、物探的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在巷道250～380 m 處存在K8 低阻富水異常區(qū)，預(yù)計(jì)涌水量為30 m3/h。因此，需要展開頂板淋水的超前治理，防止頂板水害造成安全事故。

2 頂板淋水破壞機(jī)理分析

分析頂板淋水破壞機(jī)理能為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。因此，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)參數(shù)，利用FLAC3D有限元模擬軟件展開相應(yīng)的數(shù)值模擬研究。模型中煤層厚度為2.8 m。直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度3.1 m；老頂為灰色細(xì)砂巖與泥巖互層，平均厚度9.6 m；直接底為泥巖，厚度6.5 m；老底為粉砂巖和泥巖互層，厚度5.5 m。數(shù)值模型選擇應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，邊界上部施加垂直應(yīng)力3.6 MPa，施加水平應(yīng)力為4.52 MPa。將模型的左右和底面設(shè)定為固定邊界。模型中的巖石參數(shù)見表1。

表1 煤巖體數(shù)值模型參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道開挖引起圍巖應(yīng)力的重新分布?？傮w來說，兩幫應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大水平應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)主要在巷道底板。通過對比有淋水和無淋水巷道的應(yīng)力分布可知：頂板無淋水時(shí)，最大垂直應(yīng)力為3.8 MPa；頂板有淋水時(shí)，垂直應(yīng)力增大為5.3 MPa，應(yīng)力增長幅度為39.5%。最大水平應(yīng)力則從6.8 MPa 增長至8.1 MPa，增長幅度為19.1%。

由上述結(jié)果分析可知，頂板淋水后煤巖體發(fā)生軟化，強(qiáng)度降低并發(fā)生膨脹，進(jìn)而加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，對最大垂直應(yīng)力的分布影響較大。

頂板有、無淋水影響下巷道塑性區(qū)的分布情況如圖2。

圖2 頂板淋水模型塑性分布特征

從圖2 可知，巷道頂板淋水對巷道頂板的塑性區(qū)影響最大，對兩幫和底板的影響較小。頂板未受淋水影響時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)最深部為1.8 m，兩幫塑性區(qū)最大深度為1.5 m。頂板受裂隙水影響后，塑性區(qū)最大深度變?yōu)?.6 m，兩幫塑性區(qū)最大深度基本不變，底板塑性區(qū)的范圍基本不變。因此，對于巷道頂板淋水問題，重點(diǎn)要針對巷道頂板圍巖的加固控制，解決巷道頂板的應(yīng)力集中和塑性變形。

3 淋水巷道圍巖控制方案

3.1 淋水巷道注漿思路

發(fā)現(xiàn)巷道淋水時(shí)，需要探測主要水源，并分析淋水對巷道的影響范圍，隨后針對性地展開方案設(shè)計(jì)。目前針對巷道淋水的主要控制方式是注漿堵水，通過封堵導(dǎo)水裂隙來解決巷道淋水的問題，主要工藝流程及治理思路如圖3。

圖3 淋水巷道圍巖控制思路

如圖3 所示，當(dāng)頂板出現(xiàn)淋水時(shí)，首先要鉆孔探測隔水層的位置。如果隔水層厚度大于2.6 m，則可以采用注漿加固的方法，由注漿材料充填導(dǎo)水裂隙，解決頂板淋水問題。如果注漿效果差，那么要采用層次注漿加固的辦法，先對風(fēng)化嚴(yán)重的淺部圍巖注漿加固，隨后展開深部隔水層的注漿堵水。

3.2 淋水巷道注漿加固方案

根據(jù)地質(zhì)勘探可知，巷道頂板淋水的主要水源是砂巖裂隙含水層，即為巷道的老頂，故而注漿加固的主要區(qū)段是在直接頂以及老頂?shù)闹邢虏?。由于直接頂主要為泥巖，巖性較軟，注漿加固難以展開，因此注漿加固方案設(shè)計(jì)著重于老頂?shù)南虏?，將直接頂部分作為封孔段處理。具體的注漿鉆孔布置如圖4。

如圖4 可以看出，巷道頂板布置3 排鉆孔，中間鉆孔垂直于頂板，沿著巷道中線布置，兩邊鉆孔距離中間鉆孔2000 mm，仰角為75°，距離兩幫各750 mm，注漿鉆孔全長6000 mm。封孔段設(shè)計(jì)為2000 mm，主要根據(jù)直接頂厚度設(shè)計(jì)。注漿段設(shè)計(jì)為4000 mm，為老頂?shù)闹邢虏?。兩幫各設(shè)計(jì)兩排注漿孔，上排注漿鉆孔仰角20°設(shè)計(jì)，與下排注漿鉆孔垂直距離1500 mm，鉆孔深度為2500 mm，封孔長度300～500 mm。注漿孔沿巷道走向軸向，按照間距為5 m 平行布置，頂板共施工鉆孔78 個(gè)，兩幫共計(jì)128 個(gè)。

圖4 淋水巷道注漿鉆孔布置圖

頂板的封孔主要采用“兩堵一注”的工藝，封孔管兩端各纏繞300～500 mm 長的棉花等防漏漿材料，中間段展開注漿加固。兩幫注漿孔的封孔則是在孔口處用棉花等材料封堵300～500 mm 即可。封孔材料采用礦方的無機(jī)單液加固材料，水灰比為1.0:1，封孔注漿壓力設(shè)計(jì)為3 MPa。

注漿段材料與封孔段注漿材料一致，水灰比設(shè)計(jì)為0.8:1，注漿壓力設(shè)計(jì)為5～8 MPa，漿液可以在15 min 內(nèi)初凝，注漿材料能夠快速充填圍巖裂隙，起到良好的堵水效果。

注漿加固按照先兩幫后頂板的次序展開，可以有效提高巷道中上部分圍巖的注漿加固效果，注漿過程中出現(xiàn)漏漿等情況可適當(dāng)減小注漿壓力，待淺部圍巖漿液凝固后繼續(xù)展開注漿堵水。

3.3 淋水巷道超前堵水效果分析

注漿加固結(jié)束后，在淋水巷道段的中部，選擇注漿孔旁側(cè)完好頂板展開鉆探。主要是通過鉆孔窺視和淋水量統(tǒng)計(jì)兩方面分析頂板堵水效果。

（1）注漿效果分析。注漿堵水效果好壞主要由漿液能否填充頂板圍巖裂隙、封堵導(dǎo)水裂隙所決定。因此首先展開鉆孔窺視，觀察漿液與頂板淋水圍巖的膠結(jié)狀態(tài)，如圖5。

鉆孔窺視的長度為6 m，從圖5 可以看出，鉆孔內(nèi)孔壁整體光滑，煤巖體中的裂隙被漿液充填，漿液能夠較好地與煤體膠結(jié)。

圖5 鉆孔窺視結(jié)果

（2）巷道淋水量統(tǒng)計(jì)。多數(shù)鉆孔在鉆進(jìn)過程中未見淋水情況，其中部分錨桿索孔周圍仍出現(xiàn)淋水情況，推測是由于錨桿索加固的松動(dòng)圈范圍大于注漿加固的范圍，即錨桿索長度大于6 m。針對這一情況，在出現(xiàn)淋水現(xiàn)象錨桿索孔的附近補(bǔ)打注漿鉆孔，展開補(bǔ)充注漿堵水。

對淋水段巷道超前治理過后，在巷道掘進(jìn)過程中觀測巷道頂板的淋水情況。原有的淋水情況完全消失，只有部分錨索孔位置有微小的滴水現(xiàn)象。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，注漿堵水段的巷道總體的淋水量小于1 m3/h，對巷道安全掘進(jìn)沒有影響。

4 結(jié)論

（1）針對3025 運(yùn)輸順槽頂板淋水問題，利用數(shù)值模擬，分析了頂板淋水對巷道應(yīng)力和塑性區(qū)分布的影響。

（2）根據(jù)巷道塑性區(qū)分布，設(shè)計(jì)了淋水巷道注漿加固方案，并在錨索孔淋水處適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)。注漿結(jié)束后，通過鉆孔窺視和淋水量統(tǒng)計(jì)可知，頂板裂隙充填效果良好，巷道最大淋水量為1 m3/h，注漿堵水效果良好。