锦源煤矿顶板淋水巷道围岩变形规律及控制技术研究

王瑞超 李常厚

（山西临县锦源煤矿有限公司，山西 吕梁 033000）

矿井水害严重制约煤矿的安全高产高效，因顶板淋水造成的顶板灾害事故较为常见。淋水巷道的顶板往往较为软弱，易于破碎，导致巷道岩石软化、结构强度降低，引起顶板下沉严重，并且在水的作用下支护系统易于失效，锚杆索受到腐蚀而失去作用[1-5]。本文基于锦源煤矿+302 m 水平南翼辅助运输巷顶板淋水现象，对顶板淋水条件下巷道围岩稳定性进行分析，提出巷道防治水措施，并优化支护措施。

1 工程概况

+302 m 水平南翼辅助运输巷净宽5.6 m，净高5.84 m，净断面积26.3 m2。巷道掘进主要受二叠系山西组底部K3 砂岩含水层、石炭系太原组L5、L4 灰岩含水层影响。受以上含水层影响，掘进过程中，局部顶板出现滴水、淋水现象。正常涌水量5 m3/h，最大涌水量15 m3/h。各含水岩层物理力学性质见表1。

表1 各含水岩层物理力学性质 MPa

2 淋水破裂巷道顶板围岩稳定性分析

2.1 无淋水条件下巷道围岩应力及塑性区计算

本文运用弹性力学方法，按平面应变问题计算巷道开挖后的应力分布及塑性区范围[7]。假设巷道为深埋圆形平巷，无限长度；巷道断面内水平和竖直方向的原岩应力相等，围岩为理想的弹塑性体；巷道埋深大于20 倍的原岩应力。由平衡微分方程得到：

式中：σr为围岩径向应力，MPa；σθ为围岩切向应力，MPa；r为极限平衡区内任意点半径，m。

由莫尔-库仑屈服准则得到：

式中：φ为岩石的内摩擦角，（°）；c为岩石的内聚力，MPa。

考虑塑性区边界处的支护反力，得到边界条件为：

式中：Rd为塑性区半径，m；P0为支护阻力，MPa；P为原岩应力，P=γH，MPa。

将公式（2）、（3）代入（1）求解得到塑性区巷道两侧的切向应力及径向应力为：

IWRAP MKⅡ软件默认在原油油船、成品油油船、化学品船、天然气船、集装箱船、杂货船、散货船、滚装船、客船、快速渡船、支持船、渔船、油船、其他船对这14种船型进行区分，每种船型按25 m间隔分为若干个长度类别，分别为0～25 m，25～50 m，…，400 m及以上。此次计算的基础数据为集装箱船舶数据，填入集装箱船的交通流量分布即可。

式中：R0为巷道半径，m。

塑性区半径为：

弹性区应力为：

假设塑性区体积不变，得到巷道周边围岩公式：

式中：v为岩石泊松比；E为岩石弹性模量，GPa。

图1 双向等压圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布

2.2 淋水条件下巷道围岩应力及塑性区计算

为了分析含水巷道围岩弹塑性分布状态，需要增加以下假设：（1）远场静水压力在同一半径上大小相等；（2）地下水的径向流动符合达西渗流定律。图2 为巷道围岩渗水压力示意图。

图2 巷道围岩渗水压力示意图

根据渗流理论，巷道渗透水压力场Pw分布律[2]为：

式中：Rd为外水影响半径，m；Pd为原始渗透水压力，MPa。

假设含水岩层为两相介质体，于是由平衡微分方程[8]得：

式中：α为有效水压力系数，它与岩石的孔隙率有关，不透水时α=0，全透水时α=1。

由摩尔库伦准则得到：

同无淋水条件下的边界条件，得到淋水条件下塑性区内应力为：

假设围岩塑性区与弹性区交界面上的径向应力为σp，则弹性区应力表达式为：

由此得到淋水条件下的塑性区半径：

塑性区位移为：

2.3 水对巷道围岩稳定性的影响

利用Mathcad 较强的公式计算能力，研究巷道水的渗流作用下的围岩变形影响规律。计算中：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，考虑不同支护强度下巷道塑性区随外水影响半径Rd变化规律，结果如图3。由图可知，在不同支护强度下，外水影响半径越大，塑性区的范围越小。这是由于外水影响半径越大，原始渗透水压力峰值离巷道越远，巷道围岩受水渗流作用影响越小，围岩因水作用强度降低，塑性破坏范围减小。且不同支护强度下，其作用规律相同。② 取Pd=1.0 MPa，Rd=20 m，考虑不同支护强度下巷道塑性区随有效水压力系数α的变化规律，结果如图4。由图可知，在不同支护强度下，巷道围岩塑性区与有效水压力系数近似成正比。有效水压力系数越接近1，巷道围岩塑性区范围越大。这是由于有效水压力系数越大，岩石的孔隙率越大，岩石的透水能力越强，因此导致岩石受水的软化作用越强，岩石强度越低，塑性破坏范围增大。③ 取α=0.3，Rd=20 m，考虑不同支护强度下巷道塑性区随原始渗透水压力Pd的变化规律，结果如图5。由图可知，在不同支护强度下，巷道围岩塑性区随着渗透水压力的增大而增大。渗透水压力指的是在渗流方向上水对单位体积土的压力。该压力越大，水的渗透作用越大，岩石破坏程度越大。综上，说明顶板淋水巷道，围岩强度低，稳定性差，塑性破坏严重。

图3 外水影响半径对巷道围岩塑性区的影响曲线

图4 有效水压力系数对巷道围岩塑性区的影响曲线

图5 渗透水压力与巷道围岩塑性区的影响曲线

3 顶板淋水巷道支护技术

顶板淋水巷道顶板需要增大锚索，将浅部破碎围岩悬吊在深部稳定岩层内，同时增大锚杆预紧力，扩大支护应力场的作用范围；采用锚网索耦合支护，使围岩支护系统形成一个协调变形的整体；再对巷道表面喷射混凝土，封闭围岩，隔离水及空气的作用。具体的支护参数如下：

（1）临时支护。使用三根前探梁，前探梁采用3 寸厚壁钢管制作，长度4 m，间隔400 mm。吊环采用6 寸厚壁钢管制作，长度80 mm，上焊接与锚杆配套的高强螺帽，并焊接牢固。迎头前探梁用方木背实接顶，并用木楔加紧。接顶背板方木规格为：长×宽×厚=2000 mm×150 mm×40 mm。临时支护如图6。

图6 临时支护图（mm）

（2）永久支护。采用Φ22 mm×2400 mm 螺纹钢锚杆，单根锚固力不小于80 kN。托盘选用Q235 型钢，规格150 mm×150 mm×8 mm，间排距800 mm×800 mm。每根锚杆使用1 支MSK2535树脂锚固剂和2 支MSZ2535 树脂锚固剂固定。网片规格为1 m×2 m，网格为100 mm×100 mm，网间搭接100 mm，每隔200 mm 用双股14#铁丝绑扎。锚索型号Φ17.8 mm×8000 mm，托盘采用Q235 钢，规格280 mm×280 mm×20 mm。锚索三排布置，中部及两侧各一排，间排距1200 mm×2400 mm。每根锚索使用1 支MSK2535 树脂锚固剂和4 支MSZ2535 树脂锚固剂固定，单根锚索预拉力不小于150 kN。喷射混凝土强度等级为C25，喷厚120 mm。铺底混凝土不低于C20。永久支护如图7。

图7 永久支护图（mm）

4 结论

（1）通过弹塑性理论计算的方法分析了有无支护条件下水的渗流作用对巷道围岩塑性区、位移的影响。结果显示：巷道围岩塑性区岩体的黏聚力、摩擦角、支护强度及原岩应力等相关，而且其大小与外水影响半径成反比，和渗透水压力、有效水压力系数成正比。

（2）提出了顶板淋水巷道临时支护方案及锚网索耦合支护+喷浆的永久支护方案。