掘进巷道过陷落柱措施及支护技术研究
2022-09-25韩晋生
韩晋生
(山西焦煤西山煤电西铭矿,山西 太原 030052)
引言
随着煤层赋存条件的复杂化,矿井开采煤层范围内发育有大量构造[1-2]。陷落柱是煤层中常见的一种构造,在我国许多矿井开采煤层内均有分布,为合理地开采煤炭资源,多数矿井布置工作面时尽量避免回采过程中揭露陷落柱,将工作面巷道布置在陷落柱内,导致巷道掘进过程中通过陷落柱[3]。掘进巷道遇陷落柱,不仅影响巷道掘进效率,还造成衔接紧张等问题,同时,陷落柱周围岩体结构复杂,内部节理裂隙中含有较多水源,掘进过程中易导致突水等事故发生。本文以西铭矿49403 工作面皮带巷地质条件为基础,采用理论分析、数值模拟、现场实践方法,对掘进巷道过陷落柱措施以及巷道支护优化方案进行了研究。
1 49403 工作面概况
西铭矿49403 工作面开采煤层为9 号煤,煤层厚度平均为2.85 m,倾角平均为5°,煤层结构一般。工作面倾斜长度为180 m、走向长度为980 m,埋深为131~392 m,平均为260 m。根据地质资料,该工作面内赋存有11 个陷落柱,皮带巷掘进过程中将揭露X9582、X9588 陷落柱,陷落柱参数如表1 所示。X9582陷落柱影响皮带巷长度约为25 m,X9588 陷落柱影响长度约为39 m,由于影响长度较小,巷道掘进过程中直接通过该陷落柱。工作面顶板情况如图1 所示。
图1 49403 工作面顶板柱状图
表1 49403 工作面陷落柱参数
2 陷落柱区围岩结构特征
2.1 陷落柱围岩应力场特征
根据已有研究成果可知,陷落柱的产生是由于地下水侵蚀作用下对岩体产生损伤,导致岩层完整性被破坏,部分区域缺失后由其他岩层充填形成的充填体[6]。陷落柱往往处于构造应力集中区域,并且受力极不均匀,因此岩体内节理裂隙发育规律性差。为有效分析陷落柱承载受力特征,将陷落柱视为一受力规则、性质均一的圆体,由岩石弹塑性理论可知,陷落柱应力分布图如图2 所示[7]。从图2 中可以看出,圆体边缘侧向应力最大值为2rH,其中r 为岩层容重,H 为煤层埋深。由于煤体极限承载能力往往低于该侧向应力,并且在地应力场的叠加作用下,陷落柱与岩层交界处将形成一个塑性破碎区,该位置发育有大量节理裂隙,因此在临近陷落柱影响区域时,需加强围岩支护强度,采取措施提高围岩整体性。
图2 陷落柱周围应力分布图
2.2 围岩内部结构窥视
由于在陷落柱前后区域围岩破碎程度较高,为确认岩层内部结构特征,采用钻孔窥视方法对陷落柱前方10 m 范围内顶板岩层进行了分析,下页图3 为钻孔窥视图,钻孔深度为10 m。从图3 中可以看出,孔内2.4 m 处顶板破碎,存在空洞;孔内3.5 m 处存在多条纵向裂隙,裂隙长度约为39 mm;孔内5.1 m 处顶板破碎,存在空洞。综合分析可以看出,钻孔内有大量构造发育,围岩稳定性极差。
图3 钻孔窥视图
3 围岩控制技术研究
针对49403 工作面皮带巷过陷落柱危岩体,采用超前注浆技术对工作面前方煤体围岩进行加固,同时对巷道支护方案进行了优化,从而实现掘进巷道快速过陷落柱。
3.1 超前注浆加固技术
注浆技术通过改变围岩特性,提高岩体之间胶结程度,并对其内部节理裂隙进行充填,从而加固岩体强度,提高围岩稳定性。超前注浆钻孔将根据加固区域分别设计参数,注浆钻孔布置如图4 所示。从图4中可以看出,巷道迎头煤体1~5 号钻孔主要对顶板围岩进行加固,使顶板能够形成稳定的自然拱,减弱巷道掘进对深部围岩的影响;6、7 号钻孔对巷道两帮煤体进行加固,提高煤体强度,增大其支撑顶板能力;8、9 号钻孔对巷道两底角底板进行加固,防止巷道出现底鼓现象。
图4 超前注浆钻孔布置图(单位:mm)
单次注浆难以实现一次性加固围岩效果,因此根据该巷道陷落柱影响长度,确定单次循环加固长度为15 m,1~5 号钻孔距离顶板0.5 m,间距1 m;6、7 号钻孔距离两帮0.5 m,底板1.5 m,间距4 m;8、9 号钻孔距离底板0.3 m,两帮0.5 m,间距4 m,钻孔参数如表2 所示。注浆材料选用超高水A、B 加固材料,水灰比为0.7∶1,注浆泵压力为10~15 MPa。
表2 爆破参数
3.2 巷道支护方案
巷道掘进过陷落柱期间,对支护参数进行调整,并采用架棚支护方式控制围岩,提高围岩稳定性。该方案在陷落柱前方5 m 处开始使用,直至出陷落柱区域5 m 后再更改为原巷道支护方案,巷道支护方案如图5 所示。顶板锚杆布置排距由1 100 mm 调整为1 050 mm,锚索由2-0 布置调整为3-0 布置,顶板由金属网支护优化为钢筋网+塑料网联合支护。棚梁采用12 号工字钢,顶梁长度为4 500 mm,上腿长度为1 400 mm,下腿长度为1 600 mm,搭接长度为100 mm,工字钢棚排距为1 000 mm。棚与围岩之间用背板充填密实。
图5 过陷落柱巷道支护断面图(单位:mm)
3.3 实践效果
工作面更改围岩控制方案后,巷道掘进效率相较于过去有了较大提升,掘进日进尺由2 m 提升至3 m,同时对过陷落柱区段围岩变形情况进行了监测,监测时间为30 d。监测期间,巷道顶板下沉量最大为86 mm,两帮移近量最大为67 mm,并且陷落柱前后区域顶板无明显下沉现象,巷道围岩稳定。
4 结论
本文以西铭矿49403 工作面皮带巷条件为基础,采用理论分析、窥视监测、现场实践方法,对掘进巷道过陷落柱技术措施进行了研究,主要结论如下:
1)陷落柱与煤层交界处由于煤体极限承载能力低于构造应力,在地应力场的叠加作用下,将形成一个塑性破碎区,该区域围岩内部发育有大量节理裂隙,需加强围岩支护强度,采取措施提高围岩整体性。
2)采用超前注浆技术,对工作面前方煤体围岩进行加固,提高围岩整体性,同时对过陷落柱区域及前后5 m 范围围岩支护方案进行了优化,提高巷道稳定性。