采掘工作面遇岩溶陷落柱的安全开采技术

2018-11-19吴俊生

陕西煤炭 2018年6期

吴俊生

(山西阳煤景福煤业有限公司，山西寿阳 045400)

0 引言

“陷落柱”经常发生在坚硬的不可溶性的岩层中，其形成实质是古老的岩层在发展的过程中，由于受到外力或自身的原因导致坍塌所形成的特殊的地质状态。在煤炭开采阶段，陷落柱是煤层的岩溶基石发生坍塌的结果，这类地质坍塌称为埋藏型岩溶坍塌。陷落柱大多以圆形或椭圆形为主，在长年累积的过程中，形成直径较大、高度较大的柱体，有的范围超过百米，以锯齿状为主要坍塌状态，切割煤层，对煤炭开采造成困难。研究采煤工作面过陷落柱构造具有一定的现实意义。

1 岩溶陷落柱特点

1.1 地表特征

在岩溶柱发生坍塌的地表表层上，多以盆型、丘状凸起为主，还有其他柱状坍塌状。山西某矿区的的道路两旁的地形级就有显著岩溶柱坍塌的特点，在那里均可见到柱状坍塌的形状带。而在具有大量黄土覆盖的地带，陷落柱坍塌有可能让黄土形成圆形或大小不一致的裂缝，这就是最常见的陷落柱坍塌地表特征。

1.2 陷落柱井下特征

陷落柱的井下特征主要利用空间三维来对形状进行描述。如果横向考虑的话，陷落柱与地面或者煤层面的切面的形状为平面图形。一般而言，椭圆形切面的大概有70%，其中呈现圆形的则只占到了8%，其他的图形则有30%。而如果纵向考虑的话，也就是从陷落柱的剖面来考虑问题，其主要表现是沿着中心轴的部分剖开整个陷落柱从而呈现的形态。剖面的形状则是由岩体结构来决定，例如，如果是含水的软岩则剖面大多呈现漏斗形；如果是不容易坍塌的坚岩层，剖面则会呈现出锥形，如图1所示。而陷落柱的高度同样是纵向考虑的关键。而陷落柱坍塌的顶部到底部的垂直度和陷落柱所在溶洞的范围、所处岩层的地理特点、物理特性、地下水的渗透性和岩层裂缝的形成程度有着莫大的关系。一般而言，陷落柱的高度受到地形等各种因素的影响，高度在几十米到百米之间，但如果地理条件特殊和岩层特性稳定，陷落柱则会高达几百米。最后一个需要考虑的维度是中心轴。中心轴和其他的维度参数考虑的不同，它是将所有平面的中心位置进行点线连接。通常情况下，中心轴的位置以垂直于岩层面的方式贯穿，按照理论来讲，中心轴则会呈现垂直的状态，但实际因受到各个岩层形状面的不同而出现倾斜，甚至扭曲的状态。而在进行采掘的过程中，掌握中心轴的倾斜状况就可以了解下部煤层和陷落的位置，从而降低煤矿开采的危险度。

图1 陷落柱的形态特征

2 岩溶陷落柱对煤矿生产造成的影响

由于煤层含有煤气层，在地下开采的过程中，往往会先开采煤气或排放煤层气，以降低地下开采工程的危险度。如果忽视了陷落柱坍塌的问题，就有可能增加矿井的危险指数。在岩溶陷落柱形成阶段，所产生的气体大多数是通过通天柱向外排放，因此，煤矿的浅层较为安全。而在煤层底层则通过半截柱确保煤气不会影响到井下作业，甚至会随着深层的地下水排到境外，从而大幅度提高作业的安全性。当然，一般在煤炭开采阶段，多以浅层挖掘为主，这就让迫使煤气和水进行频繁的交替。与此同时，水和煤气交替形成甲烷，而甲烷又和氧气发生反应，从而形成氮气和二氧化碳。这对于煤炭开采构成一种潜在的威胁。

陷落柱周围的含水度提高，会使煤炭的氧化速率变快，而如果不加以阻止，类似的化学反应将会对煤炭的质量形成严重影响。

陷落柱的坍塌将会对煤炭的储存空间形成严重的影响。例如，陷落柱发生坍塌，而塌陷的部分将会有其他的岩层或杂质进行填充，从而影响了煤炭的存储空间，导致煤炭地储存含量大幅度下降。

如果在进行煤炭开采的初级阶段就发生了陷落柱坍塌情况，必将会对煤炭地质勘探、进一步开采造成重大不便，甚至会重新选择凿井地点，重新开采，这对资本形成巨大的浪费。

煤气层的气体很难在陷落柱的周围进行保存，因此陷落柱地处煤气层的含气量可通过自身就可消散。

岩溶陷落柱可以使煤层中的含水度增加，从而让煤层气透过陷落柱进行消散。

3 陷落柱区域的支护方法

在煤矿开采过程中，对岩溶陷落柱的支护方法进行探究是极为重要的问题。其大致包含4点要求。

3.1 陷落柱顶塔搭建中注重锚杆和锚索的可锚性

为了预防陷落柱发生坍塌事故，则需要对主体的顶端进行填充。一般而言，填充物由砂岩或者泥岩组成，但待陷落柱胶结后却发现，整个效果却并不理想，再加上，陷落柱周围地质问题严重，会有较多的断层或者缝隙，如果不多加注重，则会对整个煤层形成严重威胁，故而发生倾斜的可能。与此同时，陷落柱还会让煤层中的水含量增加，这将会给顶塔的建造形成严重的影响。因此，为了确保煤炭掘进工作的有序进行，务必要注重锚杆和锚索的可锚性，特别是在进行陷落柱顶塔搭建的过程中，确保锚杆和锚索在进行锚固状态时，每掘进3 m，使用的锚固设备都要符合固力测试，以规范化操作来实现对顶塔的搭建锚固操作。一旦发现，巷道内顶塔没有可锚性，则就需要重新制定锚固方案，选择具有可锚性的地方进行搭建。

3.2 小锚索间距能够加强支护作用

锚杆是锚索进行固定的基础，只有将锚杆通过孔壁与锚索粘连固定后，再将通过围岩的次生承载层与更深层岩的承载层相连接，故而固定住次生承载层。但对于陷落柱而言，顶塔在搭建的过程中，锚杆的深度达不到此标准，因此会通过使用锚索来将顶板进行牢固作业。这样就对锚杆实现较强的牢固力，同时也增加了锚索的预紧力，减少顶板的承重力。当然，为了提高岩层之间的稳定性，在对锚索固定的时候，可通过调节间距来完成。例如，当间距缩小到某个距离的时候，即使由于次生承载层因不稳定导致断裂的情况出现，都不影响顶板的锚固程度。

3.3 采取喷浆封闭、注浆填充措施

为了能够加强支护措施，应沿着顶板下沉作用力的方向将采高的位置进行降低，但在降低的过程中千万不能对顶板的岩层造成破坏，以免发生崩塌的危险。而如果顶板下沉情况严重或已经断裂，这就会对整个陷落柱边沿区域形成冒顶事故，因此，为了提高安全性，应加大加强陷落柱区域的支护措施，对顶板进行及时有效的支护。再者，针对陷落柱的填充物有着严格的要求，并对填充的过程实行严格监督。而当对岩层实行巷道掘进的过程中，一般会采取喷浆封闭的措施和对顶板进行注浆填充，并胶结陷落柱内的顶板。这是由陷落柱所处地理环境和陷落柱本身地质条件决定的，目的是防止周围岩层出现风化导致锚杆和锚索的固定失效，对工程形成重大的威胁。