二水平膠帶大巷陷落柱影響段底鼓原因分析及控制

張 軍

（陽(yáng)煤集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司，山西 平定 045200）

煤礦開采形式及難易程度直接取決于該礦井所處的地質(zhì)條件及不同復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的存在，其中，陷落柱由于其應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，且具有形態(tài)不規(guī)則、隱伏較好、危害較大、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在礦井掘進(jìn)巷道通過(guò)陷落柱時(shí)，易導(dǎo)致陷落柱影響段巷道圍巖發(fā)生變形破壞嚴(yán)重、頂?shù)装鍖?dǎo)水通道急增的現(xiàn)象。本文以陽(yáng)泉煤礦平定裕泰煤業(yè)為研究背景，該礦井二水平膠帶大巷受XM193陷落柱的影響，部分巷道底鼓吸水膨脹變形較大。采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)勘察及監(jiān)測(cè)等手段，分析了礦井陷落柱分布及特征，并利用X射線衍射試驗(yàn)分析了巷道底板泥巖成分含量，提出了高強(qiáng)錨網(wǎng)索+幫底注漿錨桿+混凝土噴層的綜合底鼓控制方案。經(jīng)試驗(yàn)段巷道應(yīng)用后的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，底鼓得到了有效控制。

1 工程概況

陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）平定裕泰煤業(yè)位于陽(yáng)泉市平定縣南后峪村一帶，該礦區(qū)井田位于太行山山脈中段西麓、沁水板拗太原西山-盂縣板坪構(gòu)造區(qū)中南部，總的地勢(shì)為西南高北東低，傾角2°～6°，為一單斜構(gòu)造，地表及井下共發(fā)現(xiàn)陷落柱15個(gè)，未發(fā)現(xiàn)斷層和巖漿巖侵入。地形最高點(diǎn)位于西南部山梁上，標(biāo)高1128.52m，最低點(diǎn)位于東部的陽(yáng)勝河河谷，標(biāo)高881.00m，最大相對(duì)高差247.52m。

該井田現(xiàn)回采15號(hào)煤層位于太原組下段中部，上距9號(hào)煤層81.10m，煤層厚度4.08～6.73m，平均5.39m，為井田穩(wěn)定全區(qū)可采煤層，一般含2～4層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為特低灰-低灰、低硫-中硫分、特低磷-中磷分、特高熱值無(wú)煙煤。該煤層頂板為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。全井田15號(hào)煤為一個(gè)采區(qū)，涉及開拓巷道有二水平軌道大巷、膠帶大巷、回風(fēng)大巷。巷道參數(shù)如表1所示。

表1 開拓巷道參數(shù)

2 陷落柱分布特征

井田內(nèi)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的陷落柱共15個(gè)，地表出露6個(gè)，較大陷落柱12個(gè)，井田內(nèi)均有分布，如表2所示。陷落柱規(guī)模大小不一，一般為圓形、橢圓形，大者長(zhǎng)軸可達(dá)450m，小的長(zhǎng)軸不足30m，陷壁角一般在80°～85°之間。陷落柱對(duì)煤層的破壞影響范圍自陷斷邊界向外一般不超過(guò)10m，但陷落柱對(duì)煤層開采有較大影響。

表2 較大陷落柱一覽表

據(jù)三維地震勘探結(jié)果，二水平膠帶巷（巖巷）距北翼正頭聯(lián)絡(luò)巷67m處有XM193陷落柱發(fā)育，距北翼正頭聯(lián)絡(luò)巷430m處有XM194陷落柱發(fā)育，距北翼正頭聯(lián)絡(luò)巷570m處揭露有XM198陷落柱，如圖1所示。該巷道受XM193陷落柱的影響，在靠近陷落柱的區(qū)域發(fā)生巷道底鼓破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象。

3 陷落柱對(duì)底鼓影響分析

3.1 泥巖X射線試驗(yàn)

在二水平膠帶大巷受XM193陷落柱影響段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)底板泥巖取樣，之后通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)分析巷道底板泥巖層的成分組成，以揭示底鼓破壞的根本原因。如表3所示，為X射線衍射試驗(yàn)得出的巷道底板泥巖層礦物成分含量分析。其中，方解石含量比重最大，占到54.4%；其次是黏土類礦物成分占到22%，其中蒙脫石含量達(dá)到16.1%，具有較強(qiáng)的吸水膨脹性，是導(dǎo)致底板變形的內(nèi)在因素。

圖1 膠帶巷底鼓破壞區(qū)域位置圖

表3 底板礦物成分含量一覽表（單位：%）

3.2 陷落柱影響分析

陷落柱的存在導(dǎo)致其圍巖塑性區(qū)內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育異常，煤巖破碎加劇，從而導(dǎo)致巷道圍巖滲透性增強(qiáng)。在巷道掘出后，陷落柱與巷道間易形成承壓水頭導(dǎo)致底板滲水，為蒙脫石膨脹創(chuàng)造了條件。因此陷落柱的存在是底板變形破壞的直接原因。

據(jù)礦井水文地質(zhì)資料得知，該礦以煤層頂板裂隙滲水、陷落柱滲水為主，煤層充水通道主要為煤層頂板以上巖石的裂隙、陷落柱及開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶，尤其陷落柱溝通地下水，是礦井充水的主要因素。

4 底鼓控制方案

針對(duì)膠帶大巷受陷落柱影響導(dǎo)致的底板吸水膨脹、底鼓嚴(yán)重的問(wèn)題，需在兩個(gè)方面進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化：一是提高巷道底板巖石力學(xué)強(qiáng)度；二是減小巷道兩幫對(duì)底板的擠壓。因此，綜合考慮采用高強(qiáng)度錨網(wǎng)噴+滯后注漿錨桿支護(hù)的巷道加固方案。

4.1 加固方案

根據(jù)膠帶大巷現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果以及XM193陷落柱影響巷道段范圍，確定巷道需加固控制底板的長(zhǎng)度約為100m，具體加固控制方案如下。

（1）錨網(wǎng)噴支護(hù)

采用Ф22mm×2200mm頂板及兩幫高強(qiáng)錨桿（ 間 排 距 700mm×700mm）+Ф22mm×7000mm頂板高強(qiáng)錨索（間排距1400mm×2100mm，五花居中布置）+Ф43mm×2000mm套管式錨桿（排距700mm，向下傾斜45°）+全斷面鐵絲網(wǎng)（網(wǎng)孔規(guī)格30mm×30mm）+全斷面噴射混凝土（噴射強(qiáng)度等級(jí)為C20，噴射厚度蓋過(guò)金屬網(wǎng)）聯(lián)合支護(hù)。

（2）滯后注漿錨桿

在高強(qiáng)錨網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，實(shí)施滯后高壓錨桿注漿技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。具體布置方式為：巷道兩幫采用注漿錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨桿布置間排距為1400mm×2100mm，其中最上面和最下面的錨桿均向外側(cè)呈傾斜25°布置。此外，增加底板錨桿支護(hù)，底板錨桿2根，排距2100mm，單排布置分別與巷道中心線呈對(duì)稱分布，單側(cè)距巷幫1100mm，傾斜角度為60°。如圖2所示。

選用硅酸鹽水泥進(jìn)行錨桿滯后注漿，單孔注漿壓力3MPa，注漿時(shí)間0.5h，滯后時(shí)間為初次掘進(jìn)支護(hù)20d后。注漿錨桿安裝完畢后，再次進(jìn)行兩幫及底板二次噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，噴射厚度50mm。

圖2 注漿錨桿布置圖

4.2 治理效果監(jiān)測(cè)

在膠帶大巷陷落柱影響段采用上述控制方案后，進(jìn)行試驗(yàn)段巷道穩(wěn)定性測(cè)試監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)為期3個(gè)月，繪制成曲線如圖3所示?？梢?，在原支護(hù)條件下，巷道底板發(fā)生持續(xù)變形，最大底鼓量達(dá)到226mm，監(jiān)測(cè)后期巷道底板仍有繼續(xù)變形的趨勢(shì)；經(jīng)底板控制治理后，底板變形較為緩慢，在監(jiān)測(cè)40d以后變化不再明顯，40d時(shí)的巷道底鼓量為41mm，80d時(shí)的巷道底鼓量為58mm，較原支護(hù)方案時(shí)降低了74.3%，說(shuō)明底板控制效果明顯。

5 結(jié)論

（1）膠帶大巷泥巖底板成分中，方解石含量占54.4%，黏土類礦物成分占22%，且蒙脫石占16.1%，其具有較強(qiáng)的吸水膨脹性，是導(dǎo)致底板變形的內(nèi)在因素；

（2）巷道掘出后，頂板巖層裂隙滲水和陷落柱滲水是巷道主要的充水因素；

（3）采用錨網(wǎng)噴+滯后錨桿注漿的方法，有效控制了巷道底鼓變形，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，加固方案后的巷道底鼓量較原方案降低了74.3%。

圖3 巷道底鼓變形監(jiān)測(cè)結(jié)果