七一新发煤业含水砂岩顶板巷道锚杆索支护技术及实践

董怀军 肖殿才 张广超

（1.山西襄垣七一新发煤业有限公司，山西省长治市，046200；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

七一新发煤业含水砂岩顶板巷道锚杆索支护技术及实践

董怀军1肖殿才2张广超2

（1.山西襄垣七一新发煤业有限公司，山西省长治市，046200；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

针对七一新发煤业北翼五采区顶板砂岩含水条件巷道支护难题，提出采用锚杆索支护方式控制巷道围岩。结合现场实际条件分析了顶板淋涌水条件下锚杆索支护的巷道破坏特征及其维护特点，提出相应的控制对策，并综合数值模拟、理论分析、工程类比等方法确定了巷道支护参数，并进行了现场应用，取得成功。

含水砂岩顶板 巷道支护 锚杆索支护 围岩控制

1 工程概况

七一新发煤业主采3＃煤层，煤层在北翼五采区分为上、下两层，煤层层理分明，节理发育，地质构造简单，顶板砂岩层含水。巷道开挖过程中，岩体裂隙不断发育，顶板水通过裂隙与岩体发生相互作用，顶板岩体承载性能减弱，采用锚杆（索）支护则面临锚固剂与岩体胶结面易损伤，锚固可靠性降低及锚固松弛、失效等问题。因此，矿方多年来一直采用工字钢支护，然而现场实践表明，工字钢支护巷道存在一定的问题，例如巷道顶板离层量及巷道围岩变形量大、作业劳动强度大、巷道断面利用率低等。故该矿改革支护方式，开展锚杆索支护试验。本文以北翼五采区回风巷为研究对象，结合顶板砂岩含水顶板的地质水文条件，研究此类巷道的维护特点，分析其变形破坏特征，并找出合理、有效的锚杆索控制对策，解决此类煤巷开采过程中的支护问题，实现矿井的安全、高效生产。

2 工程试验条件

七一新发煤业生产规模150万t／a，由于多年的开采，南部3＃煤层基本采尽，目前仅存矿区北部3＃煤层尚未开采，并留有永久性保安煤柱。该矿中二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层在矿井生产过程中影响较大，此砂岩裂隙含水层由K7砂岩及3＃煤层顶板砂岩组成。3＃煤层导水裂隙带高度为40.4～60m，影响到了3＃煤层顶板以上至下石盒子组下部的地层，3＃煤层开采过程中顶板砂岩裂隙水以顶板淋水的方式进入矿井。

3＃煤层于本区域分为上、下两层，北翼五采区回风巷沿煤层顶板掘进；煤层平均厚度为2.16m，平均倾角7°，不易垮落。直接顶板为砂质泥岩，局部为细粒砂岩，平均厚度为6.35m，底板为砂质泥岩，平均厚度为2.16m。五采区综合柱状图如图1所示。北翼五采区回风巷设计长度为1180m，已掘进232m，巷道位置如图2所示。巷道断面设计为矩形，净断面规格宽4.5m，高3 m，在掘进中破底板岩层掘进。

3 淋涌水顶板巷道维护特点及控制方案

3.1 淋涌水顶板锚杆（索）支护巷道变形破坏特征

锚杆（索）支护的淋涌水顶板巷道在支护初期效果较好，但随着时间的增加，含水层中的水沿着裂隙及锚杆（索）孔道不断进入锚杆（索）锚固区，水对巷道围岩的侵蚀弱化作用导致锚固区的岩体强度急剧下降；顶帮围岩经过2～3个月持续受水侵蚀后，也形成松动冒落区。巷道煤岩体与水相互作用，产生膨胀变形，致使锚杆杆体应力急剧升高，当杆体应力超过其极限载荷时，锚杆将出现拉断现象，锚固段粘结失效。此外，风化作用使托盘和锚杆金属杆体发生锈蚀，在顶板岩层碎胀力和膨胀力引起的较大拉应力作用下，支护结构失效。

3.2 锚杆（索）支护下围岩变形失稳原因分析

（1）二次应力扰动和岩体力学性质的软化。巷道开挖破坏了围岩的原岩应力状态，导致直接顶板原生裂隙延伸扩大、次生裂隙持续发育，致使直接顶板完整性较差；顶板岩层有亲水性较强的泥岩，遇水后易引起顶板的软化和崩解，考虑到时间效应的影响，水—岩化学作用对岩体的力学效应影响往往会比单纯的物理作用更大，有时甚至比力学因素造成的损伤更为严重。

（2）淋涌水对煤巷围岩破坏起“催化作用”。由于淋涌水影响，巷道开挖后的围岩屈服变形是在流体渗透和围岩应力共同作用下形成的。当围岩变形量达到一定值之后，流体渗透将对围岩破坏起主导作用，且前者变形速度远高于后者。其次，巷道开挖后，砂岩水通过裂隙渗透到软弱泥岩中，致使顶板浅部围岩呈现分阶段加速度破坏。最后，顶板各岩层刚强度差别较大的情况下，各岩层遭水侵蚀逐渐膨胀软化，造成顶板岩块间的摩擦力不足，难以支撑其重力，加剧了顶板间离层破坏，增加了顶板整体垮落的危险性。

（3）锚固结构损伤。砂岩水对树脂药卷具有弱化作用，降低锚杆（索）的锚固力，腐蚀锚杆杆体，使锚杆（索）既失去了稳定的承载基础，又弱化了预应力传递介质——岩体，从而降低了锚杆（索）的预应力作用，锚杆（索）支护效果降低。

3.3 淋涌水顶板巷道的控制对策

（1）选用具有防水性能的锚固剂。顶板淋涌水较大时，尤其在掘进头有渗漏水情况下，普通的树脂锚固剂因其本身固有的性质，其凝固时间、锚固强度都会受到很大影响。而具有防水性能的锚固剂能够在有水的条件下起到很好的粘结、锚固作用，而受水分子的干扰。在支护过程中能及时承载，对顶板淋涌水条件下支护起到了很好预紧力作用。通过实验室锚杆索锚固试验可知，防水锚固剂的锚索锚固力也能达到设计要求且随其服务时间增加，锚固效果保持恒定。因此，锚杆索锚固材料应选用具有防水性能的锚固剂代替普通锚固剂。

（2）合理保水。合理保水包括全长或加长锚固技术、围岩喷浆技术和注浆堵水技术。除了岩体裂隙外，锚杆（索）孔道成为含水层与顶岩之间的水流通道，因此，为了有效减少顶板淋水、滴水，减少水对围岩的损伤程度，通过采用加长锚固或全长锚固技术，不仅能在一定程度上封堵钻孔，也提高了锚杆锚索支护强度；选择合理时机封闭围岩，可防止巷道围岩在空气中潮解、风化和巷道围岩内部水的流失，改善施工现场作业环境。

（3）有控疏水。当支护顶板位于涌水区域时，可沿巷道轴向布置泄水孔，泄水孔参数可以根据煤层顶板岩层的变化规律进行确定，一般钻孔直径在75.0mm为宜，采用集中排放，在集中排放孔内不安装锚索。若布置在巷道中间的锚索孔淋水严重，不能安装锚索，此孔即可为泄水孔，泄水一定程度后，在附近区域补打锚索。

（4）对锚索及时施加高预紧力。合理的预紧力能够有效改善围岩的应力应变特性及被锚固岩体的力学性能，增大锚固岩体的强度；把巷道顶板锚固范围内的岩层锁紧，形成整体稳定结构，从而使顶板的垂直压力转移到巷道两侧岩体纵深，使得锚索长度范围内和锚杆长度以上的顶板离层得以消除，改善顶板岩层在水平应力作用下的受力状态，从而阻止顶板持续涌水对顶板围岩体的破坏。

3.4 围岩塑性区范围的确定

（1）理论计算。一般对于巷道围岩塑性区的理论分析主要集中于均质体中的圆形巷道，因此把巷道简化为半径为2m的圆形巷道，视巷道周围岩体为连续弹性体，开挖岩体的水平应力和垂直应力相等，巷道处于双向等压的应力场中，在无限长的巷道里围岩性质一致。根据霍克－布朗围岩经验强度准则得出围岩塑性区半径：

式中：r0——巷道半径，m；

P0——原岩应力，MPa；

σc——岩体单轴抗压强度，MPa；

m、s、mr、sr——均为岩体经验参数，m、mr反映弹性区和塑性区岩石的软硬程度，其取值范围在0.0000001～25之间，对于严重扰动的岩体取0.0000001，对于完整的坚硬岩体取25；s、sr反映弹性区和塑性区岩体破碎程度，其取值范围在0～1之间，对于破碎岩体取0，完整岩体取1。

根据现场实际条件及力学实验结果将各参数值代入式（1），计算得巷道塑性区破坏半径约为3.89m，式（1）中所求R为围岩塑性区半径，所以巷道围岩塑性区厚度即松动圈厚度为LP＝R－r0＝1.89m。

（2）数值模拟。建立数值模拟模型，采用FLAC5.0进行模拟计算巷道围岩应力分布及塑性区破坏范围，模型x轴方向为巷道切面横向，y轴方向为巷道走向，z轴方向为铅垂向上。应力数值模拟结果见图3。

图3 数值模拟结果图

从图3（a）中可以看出巷道围岩塑性区破坏范围为3.5m左右，与理论计算结果基本相符，顶板围岩破坏深度最大，约为3.5m左右，两帮破坏深度为2m左右，底板破坏深度也为2m左右；此外，顶板岩层与两帮岩层破坏程度比较大，底板破坏程度较小。图3（b）和图3（c）分别显示巷道周边应力分布范围，从图中可以看出，两帮和顶底板岩层都出现了应力集中区，由于巷道为半煤岩巷，在同样的应力条件下，巷道上部将出现较大量的位移，因此，要采取一定的措施，防治煤壁片帮。

3.5 合理的支护方案确定

结合理论分析、数值模拟、工程类比等方法综合确定北翼五采区回风巷的支护方案，支护断面参数如图4所示。

（1）顶板锚杆索支护参数。巷道顶板锚杆为22＃左旋螺纹钢，长度2.4m，间排距为800mm×800mm，每排6根锚杆，居中布置，支护顶板两帮侧的顶锚杆垂直于顶板向外偏10°，其余锚杆全部垂直顶板；采用两支树脂药卷加长锚固，一支规格为K2350，另一支规格为Z2350，钻孔直径为28mm，锚固长度为1270mm，托盘采用尺寸为150mm×150mm×10mm高强度托盘，锚杆预紧力不低于180N·m，锚杆间通过ø16mm圆钢焊接而成的梯子梁连接，托梁长度4300mm。

锚索材料为ø17.8mm、1×7股高强度低松弛钢绞线，长度7.5m，间排距为2000mm×1600mm，每行打设两根锚索，距帮1250mm处各打一个；采用3支Z2350树脂药卷加长锚固，钻孔直径ø28mm，锚索托盘采用300mm×300mm×16mm高强球型托盘，预紧力不低于200kN。

（2）巷帮锚杆支护参数。巷帮锚杆为22＃左旋螺纹钢，长度2.0m，间排距为800mm×800mm，每排4根，居中布置，靠近顶板的巷帮锚杆安设角度与水平方向呈＋10°，距底板300mm处的帮锚杆安设角度与水平方向呈－10°，其余锚杆水平布置；采用两支规格为Z2350树脂药卷加长锚固，钻孔直径为28mm，托盘为150mm×150mm×10mm拱型高强度托盘，锚杆预紧力不低于100N·m，锚杆间采用ø16mm圆钢焊接而成的梯子梁连接，托梁长度2800mm。

（3）其它支护措施。在顶板和两帮铺设钢丝网片，顶网片规格为4000mm×1000mm，帮网片规格为3000mm×1000mm，网孔规格均为50mm×50mm，要求相邻网搭接长度100mm，16＃绑丝联结，双丝双扣，每扣拧结圈数不少于3圈，联结间距不大于200mm；初次支护后，对巷道进行喷浆，喷浆厚度为100mm，分两次进行，第一次在初次支护距离达10m后，喷层厚度约50mm；第二次在第一次喷射混凝土支护距离达30m后，复喷后厚度最终达到100mm，强度等级C15。

图4 巷道支护方案图

4 现场工程应用效果及分析

为掌握含水砂岩顶板煤巷的锚杆索支护效果，了解其巷道围岩活动规律，为进一步优化和改进锚杆索支护参数提供资料，在巷道掘进过程中对围岩表面位移、顶板离层及锚杆受力状况进行监测。监测数值表明，七一新发煤业北翼五采区含水砂岩顶板煤巷采用锚杆索支护后，顶板移近量小于128m，两帮移近量小于94mm；顶板离层值为0mm；锚杆托盘处测力显示保持在12MPa以内，顶板处于稳定状态。监测期间，锚杆索锚固效果较好，未出现支护材料松脱、钻孔持续淋水、鼓包等现象。实践表明锚杆索支护技术在含水砂岩顶板煤巷运用后，巷道围岩控制效果较好，断面收敛率小，巷道快速趋于稳定。

5 结论

（1）分析得出淋涌水顶板巷道围岩失稳主要原因是巷道开挖引起的裂隙伸展致使顶板岩体充水量增加，水与岩体长时间的相互作用改变了巷道围岩特性，使围岩承载能力降低，损伤了锚杆索的锚固结构，同时水对锚杆索的腐蚀也破坏了锚杆索本身的结构，减弱了其本身的承载极限。

（2）结合数值模拟结果及现场条件确定了合理的巷道锚杆索支护方案。根据矿压观测结果得知，七一新发煤业北翼五采区 含水砂岩顶板煤巷采用锚杆索支护后取得了良好的效果，巷道断面收敛率小，掘进后巷道围岩很快趋于稳定。

［1］ 王平，姜福兴，王存文等.大变形锚杆索协调防冲支护的理论研究［J］.采矿与安全工程学报，2012（2）

［2］ 张志勇，王兆义，卞景强.采用锚网支护的顶板富水煤巷冒顶事故分析［J］.锚杆支护，2004（4）

［3］ 严红，何富连，段其涛.淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷破坏特征及控制对策研究［J］.岩石力学与工程学报，2012（3）

［4］ 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

［5］ 钱鸣高，石平武，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010

［6］ 周翠英，彭泽英，尚伟等.论岩土工程中水－岩相互作用研究的焦点问题－特殊软岩的力学变异性［J］.岩土力学，2002（1）

［7］ 许兴亮，张农.富水条件下软岩巷道变形特征与过程控制研究［J］.中国矿业大学学报，2007（3）

［8］ 李学华，杨宏敏，刘汉喜等.动压软岩巷道锚注固机理与应用研究［J］.采矿与安全工程学报，2006（2）

［9］ 刘长武，禇秀生.软岩巷道锚注加固原理与应用［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000

［10］ 姚强岭，李学华，瞿群迪等.泥岩顶板巷道遇水冒顶机理与支护对策分析［J］.采矿与安全工程学报，2011（1）

［11］ 郭卫卫，柴綮云，康天合等.软岩动压巷道支护加固技术及其应用［J］.中国煤炭，2011（10）

Bolt－cable support technology and practice in roadway with water－bearing sandstone roof in Qiyi Xinfa Coal Industry Co.，Ltd.

Dong Huaijun1，Xiao Diancai2，Zhang Guangchao2
（1.Shanxi Xiangyuan Qiyi Xinfa Coal Industry Co.，Ltd.，Changzhi，Shanxi 046200，China；2.Faculty of Resources ＆Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the support difficulty in roadway with water－bearing sandstone roof in No.5mining area in north wing of Qiyi Xinfa Coal Industry，the paper proposes that the bolt－cable support method can be used to control the roadway surrounding rock.Combining with the actual conditions，the paper analyzes the destruction and maintenance characteristics of the roadway supported by bolt－cable in the condition of water inrush in roof，and then puts forward corresponding countermeasures；it determines the roadway support parameters synthesizing the methods of numerical simulation，theoretical analysis，engineering analogy and etc.，and conducts field application which has succeeded.

water－bearing sandstone roof，roadway support，bolt－cable support，surrounding rock control

TD353

A

董怀军（1966－），男，工程师，本科学历，在读工程硕士，从事煤矿安全技术管理工作。

（责任编辑 张毅玲）