王瑞超 李常厚

（山西臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁 033000）

礦井水害嚴(yán)重制約煤礦的安全高產(chǎn)高效，因頂板淋水造成的頂板災(zāi)害事故較為常見。淋水巷道的頂板往往較為軟弱，易于破碎，導(dǎo)致巷道巖石軟化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，引起頂板下沉嚴(yán)重，并且在水的作用下支護(hù)系統(tǒng)易于失效，錨桿索受到腐蝕而失去作用[1-5]。本文基于錦源煤礦+302 m 水平南翼輔助運輸巷頂板淋水現(xiàn)象，對頂板淋水條件下巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出巷道防治水措施，并優(yōu)化支護(hù)措施。

1 工程概況

+302 m 水平南翼輔助運輸巷凈寬5.6 m，凈高5.84 m，凈斷面積26.3 m2。巷道掘進(jìn)主要受二疊系山西組底部K3 砂巖含水層、石炭系太原組L5、L4 灰?guī)r含水層影響。受以上含水層影響，掘進(jìn)過程中，局部頂板出現(xiàn)滴水、淋水現(xiàn)象。正常涌水量5 m3/h，最大涌水量15 m3/h。各含水巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 各含水巖層物理力學(xué)性質(zhì) MPa

2 淋水破裂巷道頂板圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 無淋水條件下巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)計算

本文運用彈性力學(xué)方法，按平面應(yīng)變問題計算巷道開挖后的應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍[7]。假設(shè)巷道為深埋圓形平巷，無限長度；巷道斷面內(nèi)水平和豎直方向的原巖應(yīng)力相等，圍巖為理想的彈塑性體；巷道埋深大于20 倍的原巖應(yīng)力。由平衡微分方程得到：

式中：σr為圍巖徑向應(yīng)力，MPa；σθ為圍巖切向應(yīng)力，MPa；r為極限平衡區(qū)內(nèi)任意點半徑，m。

由莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則得到：

式中：φ為巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；c為巖石的內(nèi)聚力，MPa。

考慮塑性區(qū)邊界處的支護(hù)反力，得到邊界條件為：

式中：Rd為塑性區(qū)半徑，m；P0為支護(hù)阻力，MPa；P為原巖應(yīng)力，P=γH，MPa。

將公式（2）、（3）代入（1）求解得到塑性區(qū)巷道兩側(cè)的切向應(yīng)力及徑向應(yīng)力為：

IWRAP MKⅡ軟件默認(rèn)在原油油船、成品油油船、化學(xué)品船、天然氣船、集裝箱船、雜貨船、散貨船、滾裝船、客船、快速渡船、支持船、漁船、油船、其他船對這14種船型進(jìn)行區(qū)分，每種船型按25 m間隔分為若干個長度類別，分別為0～25 m，25～50 m，…，400 m及以上。此次計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為集裝箱船舶數(shù)據(jù)，填入集裝箱船的交通流量分布即可。

式中：R0為巷道半徑，m。

塑性區(qū)半徑為：

彈性區(qū)應(yīng)力為：

假設(shè)塑性區(qū)體積不變，得到巷道周邊圍巖公式：

式中：v為巖石泊松比；E為巖石彈性模量，GPa。

圖1 雙向等壓圓形巷道圍巖塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

2.2 淋水條件下巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)計算

為了分析含水巷道圍巖彈塑性分布狀態(tài)，需要增加以下假設(shè)：（1）遠(yuǎn)場靜水壓力在同一半徑上大小相等；（2）地下水的徑向流動符合達(dá)西滲流定律。圖2 為巷道圍巖滲水壓力示意圖。

圖2 巷道圍巖滲水壓力示意圖

根據(jù)滲流理論，巷道滲透水壓力場Pw分布律[2]為：

式中：Rd為外水影響半徑，m；Pd為原始滲透水壓力，MPa。

假設(shè)含水巖層為兩相介質(zhì)體，于是由平衡微分方程[8]得：

式中：α為有效水壓力系數(shù)，它與巖石的孔隙率有關(guān)，不透水時α=0，全透水時α=1。

由摩爾庫倫準(zhǔn)則得到：

同無淋水條件下的邊界條件，得到淋水條件下塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力為：

假設(shè)圍巖塑性區(qū)與彈性區(qū)交界面上的徑向應(yīng)力為σp，則彈性區(qū)應(yīng)力表達(dá)式為：

由此得到淋水條件下的塑性區(qū)半徑：

塑性區(qū)位移為：

2.3 水對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

利用Mathcad 較強(qiáng)的公式計算能力，研究巷道水的滲流作用下的圍巖變形影響規(guī)律。計算中：c=2 MPa，φ=30 °，E=9.64 GPa，R=2.8 m，P=10 MPa。① 取Pd=1.0 MPa，α=0.3，考慮不同支護(hù)強(qiáng)度下巷道塑性區(qū)隨外水影響半徑Rd變化規(guī)律，結(jié)果如圖3。由圖可知，在不同支護(hù)強(qiáng)度下，外水影響半徑越大，塑性區(qū)的范圍越小。這是由于外水影響半徑越大，原始滲透水壓力峰值離巷道越遠(yuǎn)，巷道圍巖受水滲流作用影響越小，圍巖因水作用強(qiáng)度降低，塑性破壞范圍減小。且不同支護(hù)強(qiáng)度下，其作用規(guī)律相同。② 取Pd=1.0 MPa，Rd=20 m，考慮不同支護(hù)強(qiáng)度下巷道塑性區(qū)隨有效水壓力系數(shù)α的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4。由圖可知，在不同支護(hù)強(qiáng)度下，巷道圍巖塑性區(qū)與有效水壓力系數(shù)近似成正比。有效水壓力系數(shù)越接近1，巷道圍巖塑性區(qū)范圍越大。這是由于有效水壓力系數(shù)越大，巖石的孔隙率越大，巖石的透水能力越強(qiáng)，因此導(dǎo)致巖石受水的軟化作用越強(qiáng)，巖石強(qiáng)度越低，塑性破壞范圍增大。③ 取α=0.3，Rd=20 m，考慮不同支護(hù)強(qiáng)度下巷道塑性區(qū)隨原始滲透水壓力Pd的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5。由圖可知，在不同支護(hù)強(qiáng)度下，巷道圍巖塑性區(qū)隨著滲透水壓力的增大而增大。滲透水壓力指的是在滲流方向上水對單位體積土的壓力。該壓力越大，水的滲透作用越大，巖石破壞程度越大。綜上，說明頂板淋水巷道，圍巖強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，塑性破壞嚴(yán)重。

圖3 外水影響半徑對巷道圍巖塑性區(qū)的影響曲線

圖4 有效水壓力系數(shù)對巷道圍巖塑性區(qū)的影響曲線

圖5 滲透水壓力與巷道圍巖塑性區(qū)的影響曲線

3 頂板淋水巷道支護(hù)技術(shù)

頂板淋水巷道頂板需要增大錨索，將淺部破碎圍巖懸吊在深部穩(wěn)定巖層內(nèi)，同時增大錨桿預(yù)緊力，擴(kuò)大支護(hù)應(yīng)力場的作用范圍；采用錨網(wǎng)索耦合支護(hù)，使圍巖支護(hù)系統(tǒng)形成一個協(xié)調(diào)變形的整體；再對巷道表面噴射混凝土，封閉圍巖，隔離水及空氣的作用。具體的支護(hù)參數(shù)如下：

（1）臨時支護(hù)。使用三根前探梁，前探梁采用3 寸厚壁鋼管制作，長度4 m，間隔400 mm。吊環(huán)采用6 寸厚壁鋼管制作，長度80 mm，上焊接與錨桿配套的高強(qiáng)螺帽，并焊接牢固。迎頭前探梁用方木背實接頂，并用木楔加緊。接頂背板方木規(guī)格為：長×寬×厚=2000 mm×150 mm×40 mm。臨時支護(hù)如圖6。

圖6 臨時支護(hù)圖（mm）

（2）永久支護(hù)。采用Φ22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，單根錨固力不小于80 kN。托盤選用Q235 型鋼，規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm，間排距800 mm×800 mm。每根錨桿使用1 支MSK2535樹脂錨固劑和2 支MSZ2535 樹脂錨固劑固定。網(wǎng)片規(guī)格為1 m×2 m，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每隔200 mm 用雙股14#鐵絲綁扎。錨索型號Φ17.8 mm×8000 mm，托盤采用Q235 鋼，規(guī)格280 mm×280 mm×20 mm。錨索三排布置，中部及兩側(cè)各一排，間排距1200 mm×2400 mm。每根錨索使用1 支MSK2535 樹脂錨固劑和4 支MSZ2535 樹脂錨固劑固定，單根錨索預(yù)拉力不小于150 kN。噴射混凝土強(qiáng)度等級為C25，噴厚120 mm。鋪底混凝土不低于C20。永久支護(hù)如圖7。

圖7 永久支護(hù)圖（mm）

4 結(jié)論

（1）通過彈塑性理論計算的方法分析了有無支護(hù)條件下水的滲流作用對巷道圍巖塑性區(qū)、位移的影響。結(jié)果顯示：巷道圍巖塑性區(qū)巖體的黏聚力、摩擦角、支護(hù)強(qiáng)度及原巖應(yīng)力等相關(guān)，而且其大小與外水影響半徑成反比，和滲透水壓力、有效水壓力系數(shù)成正比。

（2）提出了頂板淋水巷道臨時支護(hù)方案及錨網(wǎng)索耦合支護(hù)+噴漿的永久支護(hù)方案。