掘进巷道过陷落柱分析及支护技术研究

王 喆

（晋能控股集团沁秀煤业有限公司，山西晋城 048007）

由于煤层的赋存状况日趋复杂，在矿区的煤层区域中存在着许多构造。陷落柱是煤矿中普遍存在的一种结构形式，它广泛存在于煤矿的煤层中，为了使煤矿资源得到合理的利用，大多数矿井在采掘时都会尽量避免暴露出塌方，采场巷道设置在陷落柱中，造成了巷道在掘进时通过陷落柱。掘进巷道遇塌方柱的存在，不但影响了巷道的施工效率，而且存在着衔接不畅等问题。塌方柱围岩的构造比较复杂，其内部节理裂缝中的水源含量高，在开挖过程中容易出现突水和其他安全事故。根据晋能控股集团49403 工作面皮带巷的施工情况，采用理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法，探讨了掘进巷道通过陷落柱的保护措施和巷道的支护优化设计。

1 49403工作面概况

晋能控股煤业集团49403工作面的煤层为9号煤，煤层平均厚度2.85m，倾斜角度5°，煤体构造较为普通。工作面坡度为180m，走向长度为980m，埋设深度1392m，平均深度260m。根据现场地质数据分析，矿区有11 个陷落柱，在皮带巷开挖期间，将会露出X9582、X9588 陷落柱，在表格1 中显示了陷落柱的参数。X9582沉降桩对皮带巷的作用是25m左右，而X9588沉降桩对巷道的作用则是39m 左右，但其对巷道的影响不大，因此在巷道开挖时可以直接穿过[1]。图1显示了采场的顶板状况。

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

通过对现有研究结果的分析，认为塌陷柱是由地下水冲刷引起的岩体结构破坏，造成岩层整体完整性受损，并出现局部消失现象以后，再由其它岩层填充而成。由于塌陷柱体位于构造应力场的中心位置，其受力较不均衡，因而其节理面裂缝的发育无明显规律。为了对陷落柱的受力特性进行有效的分析，将其看作一个受力均匀、材质均匀的圆形物体，通过对岩体的弹性力学分析，得到了沉陷柱体的应力分布图。如图2所示，圆体的最大侧向应力是2γH，γ是岩石的容重，H是煤层的深度。在采煤过程中，煤体的极限承载力常常低于这一侧向应力的水平，而且在地应力场的累加作用下，在陷落柱—岩层交界面上会出现一个具有较多节理断裂的塑性破碎区，所以，在接近陷落柱影响范围的情况下，必须加强岩层的支撑，并采用相应的加固方法来改善其整体性能。

图2 陷落柱周围应力分布图

2.2 围岩内部结构窥视

在陷落柱前后，围岩破裂情况严重，为了确定岩体的内部构造，本文利用钻孔窥探法对陷落柱前10m 的顶板进行了探查，图3 为钻孔窥视图。如图3 所示，孔径2.4m 处的顶板破裂，出现了孔隙；孔径3.5m 处有多条长约39mm的纵向裂缝；钻孔5.1m处的顶板断裂，出现了孔隙。通过对该井的综合分析，发现该井中存在着大量的构造发育，围岩的稳定性非常差。

图3 钻孔窥视图

3 围岩控制技术研究

为了解决49403皮带巷塌陷柱危岩的问题，在开采过程中，采取了超前注浆法，加强了采区的煤体围岩，并优化了巷道的支撑措施，使巷道能够迅速通过陷落柱区域。

3.1 超前注浆加固技术

注浆工艺主要是通过改善岩层的性质，改善岩石的粘接程度，填充节理缝中的裂缝，增强岩层的强度，改善岩层的稳定。超前注浆钻孔的参数设置应考虑注浆区域的实际条件，图4说明了钻孔的位置分布。如图4所示，巷道迎头煤体1～5钻孔的主要作用是加强顶板的围岩，从而形成稳定的天然拱洞，减轻了巷道开挖对深部围岩的影响；6、7 井眼加强了两帮煤层，增强了煤的强度，增加了它的支承能力；8、9 钻孔加强了巷道两侧底角的底板，以避免产生底鼓。

图4 超前注浆钻孔布置图(单位:mm)

单次注浆法很难达到一次补强的目的，所以，依据陷落柱的作用长度，一次循环补强的长度为15m，1～5号孔与顶板之间的距离为0.5m，每两个钻孔间距1m；6、7孔距两帮0.5m，底板1.5m，两孔之间间隔4m；8、9孔距基板0.3m，距离两帮0.5m，两孔之间间隔4m，钻孔参数见表2。采用超高水A、B级加固材料，水泥配比0.7∶1，注浆泵的压力在10～15MPa之间。

表2 爆破参数

3.2 巷道支护方案

在施工过程中，通过对支架的参数进行了相应的调整，采取了支架的方法来进行围岩的控制，从而改善了围岩的稳定性。在距离陷落柱5m 的位置开始应用此方案，在出陷落柱5m 的位置，更改为之前的支护方案，图5为支护断面的截面图。将顶板锚固结构支护间距从1100mm改为1050mm，将锚索从2-0设置改为3-0设置，将顶板从金属网支撑改为钢网+塑料网复合支撑。棚梁采用的材料为工字钢，顶部梁长4500mm，上部立柱长度1400mm，下部立柱长度1600mm，搭接长度100mm，工字形钢棚间距1000mm。棚体与围岩间用面板进行密封性填充。

图5 过陷落柱巷道支护断面图(单位:mm)

3.3 施工安全措施

严格遵守集团有关施工安全的有关规定。在工作面上设置4～6个单体柱子和液罐，用于临时前探，储罐与顶板之间的距离不能大于20m，必须准备好顶梁、液压油、三用阀、液枪、液管等，并保证充足的备用量。

在进行工程作业之前，要对工地进行“四位一体”的安全检查。在施工之前，要对现场进行一次安全检验，由负责对气体的质量进行检测，当气体的质量低于0.8%时，其它人方可进场。在靠近陷落柱的情况下，瓦斯检验员每小时至少要探测一次瓦斯浓度。当发生瓦斯喷发时，应立即停止工作，撤离人员，切断电源，向施工单位和调度中心等有关单位汇报，并采取相应的措施。施工期间，要对工地进行“敲帮问顶”的检查，如果发现有零皮，首先要用2m长的撬棒把零皮放在安全位置，以保证生产的安全。在进行施工时，工人应在安全、稳定的基础上进行操作，并保障退路的畅通。

在工程建设中，要有专门的钻井团队进行钻井作业，并严格遵循“有疑必探，先探后掘”的勘探和放水原则。在掘进过程中，要了解隧道的施工动态和围岩的变化，并对所提供的地质数据进行检验。在过陷落柱断裂区出现异常涌水量时，应采取特殊的处理方法。

在工程施工中，如果有两个帮压力明显增加，底鼓或裂缝产生，涌水发生、挂红挂汗、空气变冷、产生雾气、水色变混、水发涩、气味难闻等突水预兆，要及时发现并上报调度处，同时立即排查问题来源，紧急时按照疏散线路撤离。

在施工过程中，应随时注意岩体的稳定性，并及时掌握陷落柱的出露时机。一旦出现异常情况，应立即采取措施，防止意外发生。要严格按照公司的安全要求，在通过特别的区域之前，安排人员在现场跟踪处理。对遇到问题的矿井不能处理或不能得到安全保证的，要及时上报上级主管部门进行处理，提高问题处理等级。

架棚巷道的支护参数的优化应按照《采矿工程设计手册》的规范，按围岩特征、破碎程度、压力大小、使用年限等基本参数，科学合理确定钢棚材质、棚间距、如防倒方式、网片规格等参数。

掘进巷道通过特殊地段的施工管理条例。施工前需要对施工过程进行合理的规划，包括进度安排、技术工艺、安全监测等。锚杆张拉设备、锚杆拉拔设备、锚杆紧固设备、施工机械、支护质量检验设备等实行“一用一备”。锚杆(索)张拉机具必须为“MPa”与“kN”双显表头[2]。

3.4 实践效果

在改变了采场的围岩控制方案后，矿井的施工效率比以往有了很大的提高，每天的进深从2m 提高到3m，并对塌陷柱区段围岩的变形进行了监控，持续30d。在监控过程中，煤层的最大沉降是86mm，两帮偏移的最大值是67mm，而且在塌方柱体的前后部位没有发生过显著的塌陷，煤层的围岩稳定性较高[3]。

4 结论

根据晋能控股集团49403 工作面皮带巷的施工情况，采用理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法，探讨了掘进巷道通过陷落柱的保护措施和巷道的支护优化设计。得出了以下的研究成果：

（1）在采煤过程中，煤体的极限承载力常常低于构造应力，而且在地应力场的累加作用下，在陷落柱—岩层交界面上会出现一个具有较多断裂的塑性破碎区，所以，在接近陷落柱影响范围的情况下，必须加强岩层的支撑，并采用相应的加固方法来改善其整体性能。

（2）利用预注浆法对工作面前部的煤体围岩进行了强化，改善了围岩的整体性，并对陷落柱区及周围5m的围岩采用了优化后的支护方案，改善了围岩的稳定性。