掘进巷道过陷落柱顶板控制技术

李海庆

（阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045100）

陷落柱是煤矿采掘工作面常见的地质构造之一，陷落柱侵入后不仅破坏了原煤岩体整体稳定结构，造成陷落柱附近煤体硅化现象，而且陷落柱内岩体成杂乱无章的不规则结构，在回采、掘进时围岩破碎严重、顶板控制难度大。传统采掘工作面过陷落柱主要采用锚杆（索）、锚棚等常规技术措施进行围岩控制，不仅支护难度大、支护效率低，而且支护效果差，很难达到有效控制目的，容易发生围岩垮落事故，不利于采掘工作面安全施工，所以采掘工作面在过陷落柱时必须采取合理有效的围岩控制技术[1-5]。

1 概况

阳泉市上社二景煤炭有限责任公司15108 运输巷位于Ⅰ采区，北部为矿界，南部为15108 瓦斯治理巷，西部为采区大巷，东为矿界。15108 运输巷设计长度为1220 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘进煤层为15#层，平均厚度为4.8 m，主要以半亮煤型为主，少量为光亮型或暗淡型，夹有镜煤条带和少量丝碳，煤层含有黄铁矿结核。15#煤层顶底板岩性见表1。

表1 15#煤层顶底板岩性汇总表

15108 运输巷采用机械化掘进工艺，已掘进640 m。巷道掘进至637 m 处揭露X6 陷落柱，根据钻探资料发现，该陷落柱柱高为7.5 m，陷落柱柱体投影成椭圆状，长轴长度为42 m，短轴长度为24 m，其中短轴与巷道夹角为79°，陷落柱对巷道掘进影响长度为38 m。陷落柱腔体内主要以砂质泥岩、K2 灰岩以及砂岩为主，岩体无固定稳定层，岩体杂乱无章。

2 巷道掘进现状及问题分析

2.1 巷道掘进现状

15108 运输顺槽掘进至630 m 处时受陷落柱影响，巷道顶板开始出现破碎现象。随着巷道延伸，巷道受应力破坏作用加大。当巷道掘进至637 m 揭露X4 断层时，顶板出现大面积破碎现象，采用传统支护难度加大，巷道掘进效率降低至4.1 m/s。当巷道掘进至640 m 处时顶板出现第一次冒漏，冒漏高度达1.4 m，冒漏宽度为2.7 m，原顶板支护无法满足施工需求。

2.2 巷道原支护设计

15108 运输顺槽在揭露X6 陷落柱前巷道围岩主要采用锚杆、锚索、钢带联合支护，具体支护设计如下：

（1）顶板锚杆为长度2.4 m、直径22 mm 钢锚杆，每排布置5 根，锚杆间排距为1.0 m，锚杆外露端安装长度为4.2 m、宽度为0.15 m 的W 型钢带。

（2）顶板每排布置3 根长度为6.5 m、直径为17.8 mm 锚索，锚索间距1.6 m，排距3.0 m，锚索独立布置，锚索外露端安装长度及宽度均为0.3 m中部拱形钢托板。

（3）巷帮采用锚杆支护，每排布置3 根，间排距为1.0 m，锚杆外露端安装W 型小钢带。

2.3 原支护设计问题分析

（1）由于陷落柱腔体内岩体稳定性差，而且陷落柱覆盖整巷道断面，导致其影响区巷道掘进时巷帮及顶板破碎严重。采用锚杆支护时，不仅支护孔施工难度大，而且锚固效果差，锚固力不足80 kN。

（2）巷道原支护设计顶板每排布置5 根锚杆，锚杆与两帮间距为0.25 m，巷帮每排布置3 根，最上一排锚杆距顶板间距0.5 m，而巷道顶板与巷帮之间的三角煤柱未采取任何支护措施，巷道掘进时受构造应力、掘进应力等影响，三角煤柱受应力破坏出现垮落现象，从而降低了巷帮煤柱支撑作用强度，造成顶板失稳。

（3）15108 运输顺槽支护设计中顶板主要采用W 型钢带，钢带最大承载能力为155 kN，抗剪能力差且易变形。而巷道揭露陷落柱影响区后巷道围岩受应力破坏严重，由于顶板无稳定结构，顶板承载能力低，巷道掘进支护后顶板出现严重塑性变形现象，顶板最大下沉量达0.44 m。在顶板下沉过程中对W 型钢带产生应力剪切破坏作用，钢带变形、断裂现象严重。同时，W 型钢带支护截面积小，无法对顶板起到预期托锚支护作用。

3 陷落柱影响区围岩联合控制技术

3.1 帷幕注浆技术

（1）注浆加固主要目的是对巷道围岩不稳定岩层进行二次重组，提高围岩整体稳定性，从而避免巷道掘进时受应力作用围岩出现破坏，从而保证巷道成型率以及提高巷道支护质量。

（2）15108 运输顺槽采取全断面注浆施工，两帮及顶板同时注浆，巷道轮廓围岩形成帷幕注浆圈，从而提高巷道围岩稳定性。巷道两帮及顶板各施工3 个注浆钻孔，帮部钻孔编号为B1-1、B1-2、B1-3（左帮钻孔），B2-1、B2-2、B2-3（右帮钻孔）；顶板钻孔编号为D1、D2、D3。

（3）所有钻孔深度为5.0 m，直径为45 mm。其中帮部钻孔布置间距为1.0 m，钻孔施工在距巷道轮廓0.5 m 处，钻孔与巷帮水平夹角为45°，顶部钻孔B1-1、B2-1 仰角为20°，底部钻孔B1-3、B2-3 俯角为20°，中部钻孔B1-2、B2-2 垂直角为0°；顶板钻孔间距2.0 m，钻孔布置在距顶板1.2 m 煤壁上，钻孔仰角为45°，两帮钻孔（D1、D3）与巷帮夹角为30°。

（4）钻孔施工完后，用注浆泵对钻孔进行注浆。注浆选用聚氨酯化学粘接材料，具有凝固速度快、渗透能力强等优点，注浆顺序为先顶部后帮部，注浆压力由小到大，注浆最终压力控制在1.5 MPa。

3.2 桁架锚杆支护

为了降低巷帮煤柱受应力破坏出现片帮、垮落现象，提高三角煤柱区域稳定性，在原巷道支护设计的基础上对巷道与顶板间三角煤柱施工桁架锚杆支护。

（1）15108 运输顺槽掘进至637 m 时，对巷帮施工桁架锚杆支护。桁架支护主要由两根长3.0 m、直径为25 mm 高强度预应力螺纹钢锚杆、两根长度为1.0 m 圆钢托架以及一个张拉器等部分组成。

（2）桁架锚杆施工在距顶板0.3 m 处巷帮上，锚杆钻孔深度为3.0 m，钻孔与巷帮水平夹角为75°，两个锚杆钻孔对称布置，布置间距为1.5 m。

（3）桁架锚杆支护孔施工完后，对钻孔内安装锚杆并进行锚固，然后在锚杆外露端安装两根圆钢托架，并采用张拉器进行预紧。桁架锚杆支护布置间距为1.0 m。

3.3 多筋梯形梁支护

（1）为了提高顶板支护效果，原顶板锚杆采用的W 型钢带更换为JW 型钢带。JW 型钢带长度为4.5 m，宽度为0.32 m，钢带上均匀布置五个支护钻孔，孔间距为1.1 m。为了解决传统钢带在使用过程中受锚应力作用，钢带支护孔出现撕裂现象，JW 型钢带支护孔焊接一块长度及宽度为0.3 m 的高锰钢托盘。

（2）将原顶板单锚索支护优化改为多筋梯形梁支护，支护主要由三根长为8.3 m、直径21.8 mm 锚索以及一架梯形梁组成。其中梯形梁长度为4.2 m，宽度为0.5 m，梯形梁主要由6 根长为4.2 m、直径为22 mm 圆钢，3 块长度为0.5 m、宽度为0.32 m“JW”型钢带以及4 组夹板组成，如图1。

图1 15108 运输顺槽过陷落柱区围岩联合支护示意图

（3）多筋梯形梁支护施工在钢带之间顶板上，布置排距为2.0 m，施工工序为：锚索支护孔施工→安装锚索→安装多筋梯形梁并进行预紧。

3.4 实际应用效果分析

2020 年4 月26 日，15108 运输顺槽按照优化支护方案已完全通过陷落柱影响区，巷道围岩未出现严重变形、破碎现象，顶板最大下沉量为0.11 m，巷帮三角煤柱破碎、垮落现象得到了有效控制，围岩支护失效率控制在2%以下，巷道掘进效率提高至6.7 m/d，取得了显著应用成效。

4 结论

（1）对陷落柱区巷道围岩施工帷幕注浆支护，使巷道轮廓围岩形成一个连续稳定的加固层，既提高了巷道围岩整体稳定性，又保证了锚杆（索）支护在帷幕注浆圈内锚固效果。

（2）通过对巷道三角煤柱区施工桁架锚杆支护，削弱了构造应力对三角区的破坏作用，阻止了三角煤柱垮落，提高了煤柱对顶板支撑作用力，解决了因三角煤柱垮落导致巷道成型效果差、顶板失稳现象严重等难题。

（3）对巷道顶板锚杆（索）采用多筋梯形梁支护，与传统单锚杆、锚索支护相比，具有支护截面大、支护强度高等优点，用于大应力、大变形围岩中，解决传统支护强度低、支护失效严重等难题。