回坡底煤矿陷落柱影响区巷道围岩控制技术

张 岩

（霍州煤电集团安全管理部，山西 霍州 031400）

1 工程概况

回坡底煤矿11-104 工作面位于11#煤层东一采区，11#煤层平均厚度3.2 m，倾角1°～5°，煤层节理较为发育，含2～3 层稳定夹矸。煤层底板含铝泥岩厚2～3 m，平均厚度2.5 m，普氏硬度2～3；顶板为泥岩，厚度2.90～4.00 m，平均厚度3.5 m，中夹0.3 m 的煤线，普氏硬度4～6；泥岩以上的粉砂岩厚度2.2～2.8 m，平均厚度2.6 m，普氏硬度6～10。

11-1042 巷为11-104 工作面的回采巷道，沿11#煤层顶板掘进，设计长度1304 m，为矩形断面，宽度4800 mm，高度3300 mm。三维地质勘探显示，11-1042 巷在掘进面前方存在DX212 陷落柱，该陷落柱为背斜褶曲，其长袖约为70 m，短袖约为60 m，陷落角约为65°，预计其影响煤层的破碎带宽度超过100 m。因此，为保证11-1042 巷顺利通过陷落柱破碎带，需对陷落柱周围的应力分布及巷道围岩的控制技术展开研究[1-4]。

2 陷落柱力学分析

2.1 陷落柱形成机理

岩层在较大水平地应力的挤压作用下会形成褶曲，其形式分别为背斜和向斜，如图1。背斜构造轴部上凸，顶端岩层处于张拉状态，底部岩层处于挤压状态；向斜构造轴部下凹，其顶端岩层处于挤压状态，底部岩层处于张拉状态。

图1 背斜、向斜受力

地下岩层中存在较多的岩溶构造，在地下水反复冲刷下，岩溶内部逐渐形成空洞，随后在水平地应力及岩层自重的作用下，岩溶空洞内部的岩体发生坍塌，如此形成了陷落柱的初始形态。岩溶内部垮落后，应力开始重新分布，由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度，如图2，在向斜构造中，底部岩层受张力作用形成张性裂隙，裂隙的数量及张开度由下往上呈现减小的趋势。在岩层自重的作用下，向斜轴部的破碎带呈下大上小的倒楔形。在背斜构造中，溶洞在其轴部形成后，背斜顶部岩层在重力作用下发生塌落，并形成卸压空间，随后在张力作用下形成张性裂隙，下部岩层受挤压作用裂隙相对较少，最终形成上大下小的正楔形破碎带。

图2 陷落柱塌陷轮廓

陷落柱初始条件形成后，暴露在自由空间的岩体所受的摩擦力较小，在重力作用下垮落，溶洞的空间逐渐增大。在垂直方向上，地下水的冲蚀使得裂隙带的空隙增大，陷落柱逐渐下移，而水平方向上的作用力使得陷落柱的陷落角逐渐增大，同时，空洞内部的负压会进一步加剧岩溶陷落柱的发育。

2.2 陷落柱周围应力分析

（1）建立模型

为分析陷落柱周围的应力分布情况，为围岩控制方案提供依据，采用FLAC3D数值模拟软件，依据11-1042 巷的实际赋存条件建立模型，模型尺寸为长×宽×高=100 m×100 m×100 m，其中，陷落柱的边角与水平方向的夹角为65°。根据工作面埋深，在模型顶部施加9.1 MPa 的垂直应力以模拟覆岩压力，通过位移边界条件对模型四周和底部进行约束。为使模拟结果准确度更高，计算时，陷落柱内采用应变软化本构模型，其余煤岩体的破坏准则统一采用Mohr-Coulomb 本构模型。煤岩体的物理力学参数按表1 进行赋参。

表1 煤岩体物理力学参数

（2）应力分布情况

图3 为DX212 陷落柱周围的垂直应力及水平应力分布云图。由图3（a）可知，陷落柱周围的垂直应力随着埋深的增加而增大，整体应力值较高，由于是背斜构造，陷落柱为正楔形，外围岩体会产生下滑阻力，因此在陷落柱边界存在应力集中带，在实际生产中应尽量避开应力集中区域，而现场很难探测出柱体的准确发育情况，需加大前期的地质勘察，为安全生产提供依据。

由图3（b）可知，模型的水平应力也随着埋深的增加而增大，在同一水平上，陷落柱内部的水平应力明显低于外围岩体，因此巷道从外围岩体穿过陷落柱时的水平应力落差较大，对于支护结构的稳定性存在较大的影响，需进行防倒处理。柱体边界处的煤层在水平应力差的影响下较为破碎，该区域容易形成应力集中，对巷道稳定性的影响较大。

图3 数值模拟结果

3 巷道过陷落柱围岩控制方案

3.1 控制思路

11-104 工作面整体处于背斜褶曲内，DX212 陷落柱在垂直方向上的轮廓也为正楔形。根据数值模拟结果可知，巷道在陷落柱附近的围岩应力集中，且煤层及岩体松软破碎，为此，需采取首先改善围岩的完整性，再加大支护强度的思路。可从两个方面入手改善围岩的完整性，一方面增大破碎岩体的黏聚力和摩擦角，使其相互紧密连接，提高抗剪强度；另一方面加大支护强度，保证深部围岩的承载性能不受影响。

3.2 初期支护

根据数值模拟分析可知，煤层在陷落柱边界两侧的应力差较大，过陷落柱前的最大垂直应力达到了18 MPa，而刚过陷落柱后的应力值为12 MPa，巷道通过时的变形量较大。因此，在距陷落柱边界15 m 的破碎发育起始段，加大巷道支护密度及支护强度，同时架梯形棚通过应力变化区。

顶锚杆的规格为Φ22 mm×2600 mm 高强螺纹钢锚杆，间排距为880 mm×1000 mm，每排6 根，肩窝处两根锚杆与垂线呈10°夹角。锚杆锚固长度为1200 mm，采用2 支快速锚固剂，锚杆预紧力矩不小于300 N·m。顶部加挂双层金属网进行护表支护，网孔规格35 mm×35 mm，网片搭接不小于100 mm。

顶锚索采用直径17.2 mm、长度6300 mm 的钢绞线，锚固长度为1900 mm，采用3 支锚固剂，每排布置2 根，间排距为2000 mm×2000 mm。

巷帮支护锚杆的规格与顶锚杆一致，间排距为1200 mm×1000 mm。靠近顶底板锚杆施工角度与水平成10°夹角，其余锚杆施工角度均与巷帮垂直。具体支护方案如图4。

图4 初期支护断面图（mm）

架棚支护断面图如图5。采用4300 mm 长的12号工字钢梁作为顶梁，采用U-25 型钢作为棚腿，分为上下两节，两节棚腿间采用卡缆固定。梯形棚排距为1200 mm，棚腿下挖设的柱窝深度为200 mm，棚腿距巷帮400 mm。

图5 架棚支护图（mm）

3.3 中期注浆

为进一步保证围岩稳定性及支护结构的强度，待巷道围岩变形释放了部分应力后，对围岩进行注浆加固。根据现场实际条件确定注浆滞后时间为20 d。采用双液注浆材料，2 种浆液混合后的凝结时间较短，且强度可达到7～14 MPa。

采用深浅孔配合注浆工艺，深孔布置在巷道的四角，孔深6 m，顶角孔向上仰斜45°，底角孔下扎45°，注浆压力为2～3 MPa，加固强化深部围岩；浅孔布置在顶板及两帮的中部，孔深2 m，均垂直施工，注浆压力为5～7 MPa，提高浅部围岩的完整性。

4 控制效果分析

为观测分析控制方案对11-1042 巷陷落柱附近围岩的控制效果，在补强段布置观测点，对围岩表面的位移进行观测。

现场观测结果表明，采用“注浆+联合支护”方案后，11-1042 巷过陷落柱时，顶板的最大下沉量为92 mm，两帮的最大移进量为85 mm，最大底鼓量为70 mm，围岩变形量小，满足工作面生产需求。

5 结论

（1）褶曲构造内，背斜顶端岩层处于张拉状态，底部岩层处于挤压状态，形成上大下小的正楔形破碎带，而向斜破碎带为倒楔形。

（2）通过数值模拟得出，巷道从外围岩体穿过陷落柱时的应力落差较大，且应力集中明显，对于围岩的稳定性影响较大。

（3）基于数值模拟结果，结合现场实际条件提出了“注浆+联合支护”的控制方案。现场监测结果表明，该控制方案有效改善了巷道的稳定性，满足正常生产需求。