厚层泥岩淋水顶板煤巷支护技术研究

摘要：为解决2609区段运输平巷厚层泥岩淋水顶板巷道的支护难题，本文分析了巷道顶板淋水对巷道围岩的软化以及对锚固结构的弱化机理。通过采用顶板布置卸水孔集中排水技术减少了水对围岩和支护的弱化，高预紧力锚网索支护技术实现对围岩的主动支护，形成了合理的锚网索支护参数，并成功的进行了现场支护实践。

关键词：淋水顶板 软弱泥岩 巷道支护 锚固结构 弱化作用

0 引言

随着我国煤矿开采范围的扩大化，地质条件的复杂化，很多巷道在不同程度上受到地下水影响。现有的工程实践表明，小规模的巷道淋水也会对巷道围岩造成很大损伤，给巷道的维护带来巨大的困难。巷道淋水对巷道围岩支护的影响主要体现在两方面：

一是淋水对巷道围岩的弱化作用，表现为围岩强度的降低和承载结构的破坏；

二是水还会造成锚固结构的弱化，表现为水对锚杆（索）结构及其附件的锈蚀，降低其承载能力，同时巷道围岩遇水后发生的膨胀变形会对支护结构造成额外的载荷，从而给巷道前期的掘进与后期的维护带来诸多不利因素。

1 工程概况

2609区段运输平巷是2609工作面的皮带巷，2609工作面位于26皮带下山以南，开采煤层为二2煤，煤层平均厚度为2.5m，平均倾角为7°。煤层结构简单，煤层赋存条件较稳定。2609回采工作面地质条件较复杂，工作面煤层整体上为复式褶曲构造，在工作面外部呈向斜构造，在里段为一宽缓背斜。2609区段回风平巷外段及里段揭露一较大的火成岩侵蚀区，煤层可能被侵蚀或蚀变为天然焦。根据地质报告，2609区段运输平巷的主要充水源为煤层顶底板砂岩裂隙水、相邻的2607工作面老空水和底板太灰水。巷道顶底板岩性见表1。

表1 顶底板岩层岩性描述

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2 水作用下围岩强度弱化机制

水对岩石的弱化作用导致岩体变形、破坏等宏观上的表现特征，而这种宏观上的变化与其内部微结构的改变密切相关，特别是岩石矿物组分中含粘土矿物和其内部裂隙孔隙发育时，这种弱化现象更加明显。

水对于围岩强度的弱化效应，主要是通过两个作用来实现的：

第一个作用是对岩层内部弱面和矿物成分的物理与化学作用。物理作用是指，由于在煤岩体中存在不连续面，如裂隙面和节理面等，巷道开挖之后，地下水的流动将会对不连续面产生润滑作用，同时，水还会对岩体结构面内的充填物产生软化作用。化学作用是指，地下水在渗入到岩体的矿物结晶骨架后，通过水解作用改变矿物成分与形态，从而降低岩体内聚力，在淋水与风干双重作用的共同影响下，将会造成浅部围岩强度降低，裂隙增大，随着影响时间的增加，围岩的破坏也会从浅部向深部缓慢发展。

第二个作用是静水压的有效应力作用和动水压的冲刷作用，即水对围岩的力学作用，通过围岩内部存在的裂隙来实现。在裂隙的法向方向上，静水压作用可导致裂隙的扩容变形；在裂隙的切向方向上，动水压作用可降低煤岩的抗切强度。

水对围岩强度的弱化性质可以用软化性来描述。软化性是指岩石浸水后强度降低的性质，通常使用软化系数来表示水作用的影响程度，即水饱和岩石试件单轴抗压强度与干燥岩石抗压强度之比。

η0=■？燮1（1）

其中 η0——岩石软化系数；

Rcw——水饱和岩石试件单轴抗压强度，MPa；

Rc——干燥岩石试件单轴抗压强度，MPa。

岩石浸水后的软化程度，与岩石的成分，裂隙发育程度，水化学成分及浸水时间有关。岩石的软化系数越小，表示岩石强度受水影响越小。岩石普遍具有软化性，对于强度低的岩石，软化系数变化幅度非常大。研究岩石的软化性对于淋水顶板的巷道支护具有重要意义。煤矿常见岩石软化系数如表2。

表2 煤矿常见岩石软化系数

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3 水对巷道锚固结构的弱化

巷道开挖后，开挖扰动的影响会在顶板岩层中形成和扩展各种裂隙，顶板水则会通过这些裂隙延伸到巷道内，出现顶板淋水现象；对于采用锚杆索支护的巷道，在进行锚索支护过程中，顶板水则会沿着锚索孔外泄，影响锚固剂的支护效果，并进一步影响整个巷道锚固结构的支护效果。顶板淋水对锚网索支护的巷道其锚固结构的弱化作用可体现在两个方面：

3.1 淋水会降低锚杆索的锚固力

锚杆索安装之后，由于围岩中动态水的流动，使安装锚杆锚索的树脂锚固剂遇水后发生反应，会导致锚固剂凝结性降低，进而导致锚杆索的粘结力降低；在水冲溃锚固剂方面，由于水可减慢固化剂反应速度，因此容易造成锚固剂被冲失，改变锚杆索锚固点位置，造成实际锚固长度减小。研究表明，在锚固力影响方面，水可降低锚固剂的粘结强度约7%，在钻孔水量小于1000的情况下，水造成锚固长度减小约为10%。

3.2 淋水对锚固支护构件的锈蚀

淋水会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。锚网索支护技术通过施加高预紧力改变围岩的应力状态，提高围岩的强度，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。

总之，巷道淋水对树锚杆索支护系统有较大影响，在实际的巷道锚固支护设计过程中，必须考虑水的影响，并采取措施降低其不利影响，以确保锚固支护的安全性和可靠性。

4 工程应用

2609区段运输平巷为斜顶矩形巷道，巷道掘宽4.6m，净宽4.3m，中高要求净高不低于2.5m。巷道沿二2煤层顶板掘进，煤层厚度平均2.5m，倾角平均7°。

4.1 支护思路

2609区段运输平巷支护思路：

①巷道轴向布置卸水孔集中排，由于巷道涌水量不大，通过沿巷道轴向布置卸水孔来降低或者消除钻孔附近的涌水量；

②高预紧力锚网索实现对围岩的主动支护，设计合理的支护参数，采用加长锚固，并通过施加高预紧力提高支护系统的可靠性。

4.2 具体支护参数

4.2.1 顶板锚杆参数

巷道顶板采用7根Φ22×2800mm左旋螺纹钢树脂锚杆加4.5m长M5型钢带、矿用钢筋网联合支护，托盘为专用配套的M10型钢托盘，锚杆间距700mm，排距700mm。每根锚杆使用2卷ZK2550快速低稠树脂锚固剂。锚杆安装时施加的预紧力要求不小于60kN，锚固力不小于200kN。

4.2.2 顶板锚索参数

顶板沿巷道的走向方向依次布置锚索梁和单体锚索，形成“二三交替布置”。“二”为一梁二索，锚索为Φ18.9×6300mm钢绞线。钢梁采用矿用16号槽钢梁，长度2.2m，两个眼孔距离为1.6m，且锚索需加让压管。“三”为三根单体让压锚索，锚索为Φ18.9×8300mm钢绞线，托盘尺寸为400×400×12mm+200×200×10mm的双托盘。每根锚索使用4卷ZK2550快速低稠树脂锚固剂，锚索安装时预紧力要求不低于80kN，锚固力不低于250kN。

4.2.3 帮部锚杆参数

巷道帮部采用4根Φ22×2800mm左旋螺纹钢树脂锚杆加2.8m长M5型钢带、矿用钢筋网联合支护，锚杆间距为800mm，排距均为700mm。每根锚杆使用2卷ZK2550快速低稠树脂锚固剂。帮锚杆预紧力和锚固力要求同顶锚杆。在巷道煤层倾角变大的区域，钢带下端距离底板超过200mm时，在钢带下端空帮位置补打一根单体锚杆，并沿巷道走向铺设帮部钢带。

4.2.4 帮部锚索参数

沿巷道走向在两帮中部布置一套锚索梁，一梁二索，锚索为Φ18.9×6300mm钢绞线。钢梁规格为矿用16号槽钢梁，长度2.2m，两个眼孔距离为1.8m，且需加让压管，在槽钢梁的槽内加一厚度不小于10mm的平垫钢板为锚索托盘。每根钢绞线使用4卷ZK2550快速低稠树脂锚固剂，帮锚索预紧力和锚固力要求同顶锚索。

4.2.5 布置卸水孔

巷道为厚层泥岩淋水顶板，靠顶板最低端的单体让压锚索孔打好以后先不安装锚索，作为出水孔导排顶板水，待顶板水变小后再安装单体锚索。

4.2.6 特殊地段支护

对断层带等围岩破碎区域，采用锚杆支护+钢棚支护的联合支护方式，并尽可能的先用锚杆锚索等主动支护锚固围岩，再采用钢棚支护并塞紧背实钢棚与顶帮之间的空隙，具体方案及参数可根据现场实际进行针对性研究和设计。

巷道支护示意图如图1所示。

4.3 支护效果

2609区段运输平巷矿压观测的结果表明：巷道掘进期间，顶板围岩活动比较稳定，没有发生明显的变形下沉，测站1和3处观测到顶板下沉约为11mm。巷道两帮最大变形量达到82mm，左帮最大变形量达到40mm，巷道帮部变形主要是由右帮变形引起。测站2处观测数据显示左帮变形量较大，现场观测也发现在左帮有数根锚杆被拉断，说明测站2附近区域巷道左帮矿压显现比较明显。由于巷道进行了多次拉底，底臌量无法进行测量。2609区段运输平巷在掘进期间，基本没有出现顶板离层，测站1和2处观测到离层量为0，测站3处巷道顶板离层观测记录显示，前12天未发生顶板离层，12天后开始出现离层，为锚杆锚固范围外离层，最大离层量为7mm。巷道支护整体效果见图2。

5 结论

①针对厚层泥岩淋水顶板巷道围岩稳定性控制难题，研究了顶板水对巷道围岩的软化和对锚网索支护系统的弱化机理。水对围岩的作用包括物理化学作用和力学作用两个方面，两种作用共同导致了围岩的弱化；顶板渗水会降低锚固剂粘结强度，减小锚杆索有效锚固长度，造成锚网索支护结构金属构件的锈蚀，从而导致锚固系统可靠性下降。

②提出了厚层泥岩淋水顶板巷道的支护技术，确定了适合2609区段运输平巷的的合理支护参数。通过沿巷道轴向布置卸水孔排水以减少水对巷道围岩和支护结构的不利影响，采用参数合理的高预紧力锚网索支护技术可以有效解决巷道支护问题。

③该技术在2609区段运输平巷的支护实践中得到了成功应用。矿压观测表明，巷道掘进期间，顶板最大下沉量为11mm，两帮最大移近量为82mm，左帮最大移近量为40mm，巷道顶板基本不发生离层，巷道变形得到有效的控制，巷道维护满足生产要求。该支护技术可以在类似条件巷道支护实践中参考应用。

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作者简介：王涛（1986-），男，河南永城人，硕士研究生，主要从事煤矿生产技术及设计工作。

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