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顶板淋水对巷道围岩变形的影响及防治技术

2025-05-25 41 上传者：管理员

摘要：柳湾煤矿61113运输顺槽巷道淋水区变形严重，为保证巷道安全，采用数值模拟研究分析巷道围岩变形演化规律。研究发现，巷道顶板来压20 d，顶板最大位移500 mm，巷道整体垮落。针对围岩变形原因制定了千米定向钻超前排水和U型钢增强支护工艺的优化支护措施。研究成果和研究方法对于其他矿井类似巷道支护具有一定指导意义。

关键词：
增强支护
巷道支护
数值模拟
淋水
超前排水
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巷道支护稳定性直接关系着矿井后期安全生产和运输,井下作业过程中不良地质构造导致传统支护措施无法满足支护强度要求｡软岩､松散岩层､水害较多区域巷道支护问题严重威胁着矿井巷道安全支护｡针对矿井巷道支护问题,中国专家学者进行了大量研究,王欣[1]提出采用顶板层次注浆堵水技术治理巷道顶板岩层比较复杂的问题,取得了良好效果;王均明等[2]针对榆树井煤矿顶板淋水巷道支护问题展开了相关研究,提出超前排水技术控制淋水对巷道支护的影响,取得良好效果｡王瑞超等[3]针对锦源煤矿顶板淋水巷道围岩变形规律展开研究,提出组合支护和预排水工艺进行巷道围岩控制,取得了良好效果｡其他专家学者分别针对不同地质条件下巷道支护问题展开研究,并取得良好效果[4-14]｡柳湾煤矿61113工作面运输顺槽巷道掘进过程中存在淋水严重问题,已经支护的区域巷道变形严重,需进行二次支护,为保证后续巷道支护稳定,决定采用数值模拟方法分析巷道围岩位移演化规律,并制定支护措施,进行效果考察研究｡

1、工程概况

柳湾煤矿区域范围内主采煤层为9､10､11号煤层｡61113工作面运输顺槽位于11号煤层中,11号煤层平均厚度2.66m,煤层顶板以泥岩为主,平均厚度5.88m;煤层底板以砂质泥岩为主,平均厚度3.26m;上部有含水层和采空区,61113工作面巷道掘进过程中存在淋水现象｡61113工作面运输顺槽设计宽度6m,高度3m,设计长度700m,巷道支护措施采用传统锚杆+锚索组合支护措施,支护设计如图1所示｡巷道掘进至DX13断层时,巷道顶板出现大量淋水现象,导致支护的巷道顶板变形严重,出现垮塌现象｡根据现场观测,顶板最大位移为489mm,局部位置出现巷道垮塌现象｡

2、巷道围岩变形性规律研究

根据地质构造分布情况,DX13断层倾角60°,断距3m,产生的断层导致上部采空区积水下流,因此形成巷道淋水现象｡为进一步研究巷道变形演化规律,采用耦合模拟软件COMSOL对淋水巷道围岩演化规律进行数值模拟研究｡本次数值模拟采用软件内镶嵌的流固耦合模型进行数值模拟｡假设巷道顶板岩层､煤层､底板岩层为均匀介质,巷道上部DX13断层初次形成的破碎区域为单向岩层｡介质产生的主要内应力为地应力,地应力大小取决于巷道所在位置埋深｡对顶板､煤层､底板岩层进行取样,进行巷道围岩力学参数测试,测试结果如表1所示｡

图161113工作面运输顺槽支护设计

表1围岩基本参数测试

图2围岩应变演化图

由图2分析可知,巷道顶板来压10d,围岩最大位移为300m,最大位移位置分布在巷道顶板和断层附近;顶板来压20d,围岩最大应变量为500mm,根据围岩应变分布情况可知,位移比较大的位置为巷道顶板､底板､两帮及断层首尾部,预测最终将导致断层及巷道周边岩层整体垮落｡

综合分析,产生以上演化规律主要原因为断层区域存在自由断面,局部应力集中,且上部老空水从断层渗入,导致岩体破碎加剧｡原支护措施无法满足支护强度要求,最终导致巷道在20d后整体破碎垮落｡

3、巷道变形防治技术及效果考察

巷道变形主要原因为断层构造及断层淋水｡因此必须针对以上2个因素进行分项治理｡拟采用超前钻孔排水治理老空水引发的淋水现象｡对原支护区域进行增强支护,支护完成后对断层构造形成的应力集中现象进行控制｡

3.1超前排水技术

超前排水措施为采用千米定向钻机进行超前排水｡在临近巷道61115回风顺槽端头部施工千米定向钻孔,钻孔布置如图3所示｡钻孔施工层位为巷道顶板上部5m,施工长度800m,钻孔整体呈上向趋势,以确保巷道掘进区顶板积水可通过千米定向钻孔有效疏排｡

千米定向钻孔技术主要设备为千米定向钻机,主要包括钻机､水箱､钻杆､孔底马达等设备,钻杆类型包括通缆钻杆､无磁钻杆､无磁外管,孔底马达以高压水为动力进行钻进,无磁外管内安装有陀螺定位设备,可以对钻孔轨迹进行实时跟踪;高压水产生动力推动孔底马达进行钻进,施工的钻孔深度比较大,能够满足大深度勘探需求｡

本次施工千米定向钻孔设备为ZYL-15000D矿用履带式全液压定向钻机,设备主要包括定向钻机､泥浆泵车､钻头､钻具､随钻测量系统,钻头为保径反向切割钻头､保径反向切割打捞钻头,钻具包括通缆钻杆､打捞钻杆､扩孔钻杆､钢变径､扩孔钻杆逆止阀､通缆钻杆逆止阀､螺杆马达;钻测量系统包括随钻测量装置､通缆上无磁钻杆､下无磁钻､下无磁钻(无磁钢材质)杆､无磁接头(上无磁-探管外管)､封孔注浆泵;其他设备包括扩孔水尾､通缆水尾｡

图3钻孔设计图

3.2增强支护技术

目前巷道支护措施主要为锚杆+锚索组合支护,锚杆+锚索组合支护措施技术原理为将锚固剂和底部托盘进行两端固定,中部锚杆受力,形成组合悬臂,能够悬挂在顶板岩层｡由于所有受力点位于锚杆和两端固定点,当锚杆尾部固定点岩体失稳时,将会导致锚固脱锚｡当锚固点有淋水现象时,脱锚问题更为突出｡因此原巷道支护措施优化方案必须考虑锚杆脱锚问题｡

综合分析,61113运输顺槽优化支护措施为原支护措施加U型钢组合支护｡由于U型钢可以摆脱岩体本身作为支点进行巷道支护,受力点通过竖向U型钢传递到巷道底板,不会因为顶板岩层或断层产生破碎失稳岩体而出现巷道变形严重的问题｡优化的巷道支护措施如图4所示｡

图4优化支护措施

4、结论

柳湾煤矿61113运输顺槽巷道掘进区域存在淋水现象,巷道围岩变形严重,为治理巷道围岩垮落问题,采用数值模拟计算研究巷道围岩变形演化规律,并制定优化措施,得到以下结论｡

1)根据61113运输顺槽掘进区域巷道围岩变形分析,产生围岩变形主要原因为断层和上部积水区综合影响｡

2)采用数值模拟研究分析61113运输顺槽淋水区域巷道围岩位移演化规律,发现在地压作用下20d巷道断面整体垮落｡

3)根据巷道变形原理制定的优化支护措施为千米定向钻孔超前排水和U型钢增强支护工艺｡

参考文献:

[1]王欣.巷道顶板层次注浆堵水技术研究与应用[J].江西煤炭科技,2024(3):198-201.

[2]王均明,王万里.榆树井煤矿顶板淋水巷道控制技术研究[J].山东煤炭科技,2023,41(7):45-47.

[3]王瑞超,李常厚.锦源煤矿顶板淋水巷道围岩变形规律及控制技术研究[J].山东煤炭科技,2022,40(11):85-88.

[4]贺丽敏.店坪煤矿淋水顶板巷道超前注浆加固技术[J].山东煤炭科技,2022,40(8):87-89.