掘进巷道过陷落柱安全技术研究

吴长擂

（山西长平煤业有限公司，山西 晋城 048006）

陷落柱在我国煤矿开采中为常见的地质体，给煤矿的正常开采带来了巨大影响[1-3]。在实际生产中，陷落柱对煤矿的危害主要是破坏了煤层的连续性，影响了煤矿采掘施工。由于需要绕过陷落柱，放缓了掘进速度，同时要求提高巷道支护工作面安全系数技术难度，造成回采工作中的放弃开采，并影响到资源量的开发[4-5]。一般来说，由于陷落柱分布情况复杂，岩体松散，工作面地应力叠加，常常需要合适的支护方案。本文针对长平煤矿5303巷道掘进过程中遇到DX70陷落柱的问题，提出了掘进中存在的问题和安全防护措施，以确保煤矿的安全生产。

1 概况

长平煤矿位于太行山西侧南端，主要开采3#煤层。在5303中部底抽巷掘进过程中，该巷道已经掘进50m，预计在80.9m处，揭露DX70陷落柱。根据矿井地质预测资料，该陷落柱呈椭圆形，长轴约417m，短轴约140m，主要以粗粒砂岩、泥岩夹碎石为主，含有少量煤屑，相对干燥。陷落柱与煤层接触边缘煤层松软，见有风化现象，掘进过程中预计通过128m。为确保施工安全，需要对此区段进行安全支护。

2 过陷落柱中的难题

2.1 原施工设计方案

过巷道初期，结合矿井实际地质情况和生产实际，提出了三套过陷落柱的方案：

方案一：直接推过。在距离预测陷落柱位置30m时，采取边探边掘的方法对该陷落柱进行打钻探查，根据陷落柱的准确具体位置及水文地质特性，直接推过。此方案不会浪费煤炭资源，但是该方案工期较长，对采煤工作有影响。

方案二：掘进配巷甩陷落柱。施工探巷探测陷落柱的准确具体位置，并施工绕道绕过陷落柱。此方案工期短，相对安全，对采煤工作影响小。缺点是成本相对较高，会损失部分资源。

方案三：重新掘进，更换工作面。该方案安全系数高，但是工期较长，资源损失量大，易造成采掘衔接失调

2.2 存在的问题分析

根据矿井地质资料，结合实际遇到陷落柱的具体情况，确定执行方案一，直接通过陷落柱，但在掘进过程中主要面临的问题有：

（1）在通过DX70陷落柱期间，巷道顶板和帮围岩为陷落柱墙体破碎混合岩体，整体稳定性相对较差，护帮锚只能固定在松散破碎的岩体中，受应力的影响较大，支护效果不稳定；

（2）对巷道顶板与帮之间的三角煤柱的支护效果差，在通过陷落柱时容易造成垮落；

（3）巷道顶板应力集中，原顶板锚杆和钢带维护断面较小，对顶板的支护效果不及预期，钢板常出现断裂，并发生网兜和冒落现象。

3 过陷落柱安全技术

过陷落柱时除采用科学合理加固措施保证掘进面围岩体稳定以外，尚需采用适当的掘进工序工艺，从而与加固措施相辅相成，达到最佳的过陷落柱效果，减少过构造所带来的损失。根据5303巷道的实际情况，主要采取以下安全技术来进一步保证安全。

（1）加强矿压观测

通过过陷落柱期间顶板离层仪、顶板锚杆（索）压力表、围岩位移等数据观测、记录，定量分析围岩的稳定性，并做出预警预判。重点观测顶板及两帮位移量，对顶板条件不好地段及时采取补强支护措施。

（2）加强顶板支护

由于陷落柱周围围岩较为破碎，给顶板管理带来很多的问题，而顶板又是决定工作面安全性的主要因素，因此，通过陷落柱时应特别注意加强顶板的支护。在支护设计合理的前提下，确保临时支护可靠、有效，并严格按照安全技术措施要求施工锚杆（索），保证支护施工达到质量要求。

（3）架棚联合支护

过陷落柱期间，采用锚注+架棚联合支护，并根据现场围岩条件及时调整间排距。当顶锚索预紧力能够达到200kN，顶帮锚杆预紧力矩能够达到300N.m时，棚距1m，棚滞后工作面不大于10m；当顶锚索预紧力介于150～200kN之间，帮锚杆预紧力矩介于200～300N.m之间时，棚距缩小为0.8m，棚滞后工作面不超过5m；当顶锚索预紧力小于150kN或顶帮锚杆预紧力矩小于200N.m时，棚距缩小为0.8m，棚滞后工作面不超过1m，防止冒顶事故发生。

4 支护方案设计和效果分析

4.1 支护方案设计

在对原来设计方案和问题研究的基础上，为能够安全、快速、优化地通过陷落柱，提出了注浆、架设钢棚的联合支护措施。

（1）注浆支护。在5303巷道掘进至90m处时，在工作面施工一排注浆孔，共8个，钻孔间距2m，钻孔深度10m，与顶板呈35°角进行布置；巷道两帮布置钻孔4个，间距为1m，钻孔深度为6m。采用马丽散混合液进行注浆。若在注浆期间发现有渗漏现象，应立即停止注浆，并封堵钻孔处理。相邻两排注浆孔距离为1.1m，依次直到通过陷落柱。

（2）梯形钢棚补强支护（图1）。采用净宽4200mm长的12#工字钢梁，Φ18×880mm金属拉杆，U25#可伸缩腿，上腿长1800mm，下腿长2000mm，上棚腿与下棚腿搭接长度不小于400mm，下棚腿要立在巷道底板硬底上。棚腿与底板夹角为82°，棚腿扎角450～550mm，1000mm垂线量得的扎角为140mm，允许偏差±17mm。棚距保持1.0m，采用“1梁2柱”形式。采用长1200mm× 宽 150（100～150）mm× 厚 50（30～50）mm的木背板，顶板不平整部分，应使用柱帽、木楔等材料背紧，确保棚梁接顶严实。所架棚梁接顶困难，应在棚梁上方架设“井”字型木垛，以保证对顶板的支撑有力、有效。

水平巷道金属棚前倾后仰±1°，即在棚腿前挂1m垂线末端至棚腿间距允许误差±17mm；倾斜巷道金属棚必须有一定的迎山角（迎山角指倾斜巷道中支柱与巷道顶底板垂线之间向上倾斜的角度，一般为巷道倾角的1/8～1/6，最大不超过8°）。如表1所示。

4.2 应用效果分析

5303巷道在经过DX70陷落柱时，采用了锚注+注浆+架设钢棚的联合支护措施，对破碎顶板和巷帮进行了有效防护，确保了矿井的安全生产。

（1）通过钻孔注浆支护以后，显著提高了岩体的承载力和稳定性。通过试验测试，注浆后的岩体单轴抗压强度由原来的18MPa提高到了60.3MPa，降低了危险系数。

（2）通过钢棚补强支护，防止了因锚杆支护不利而产生的局部垮落，提高了顶板稳定性和安全性，有效防止了顶板冒落和垮落事故的发生，提高了掘进效率。

（3）在巷道经过DX70陷落柱期间，设计了3m和6m共2个检测点。通过近30d的观测，2个基点位移量如图2所示。3m处基点位移量随着时间的增大而逐渐增大，并在约27d时达到最大位移量80m，并由此保持相对稳定；而6m处基点位移量仅不到10m，并随着时间的变化而不变。因此，本次支护方案维护效果明显。

表1 架设钢棚支架与巷道倾角关系

图1 巷道架设钢棚支护图（mm）

图2 不同基点位移与时间关系

5 结论

本次对长平煤矿5303巷掘进过程中遇到DX70陷落柱的问题进行了深入剖析，对初步设计的安全防护方案进行了优缺点探讨。根据实际地质情况和矿井生产需求，设计了注浆+架设钢棚的联合防护措施。经过实地检验证明，该方案的支护效果明显，有效提高了围岩稳定性，加快了巷道的掘进进程，保障了煤矿的安全生产，达到了安全防护目的。