掘進(jìn)巷道過陷落柱措施及支護(hù)技術(shù)研究

韓晉生

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

引言

隨著煤層賦存條件的復(fù)雜化，礦井開采煤層范圍內(nèi)發(fā)育有大量構(gòu)造[1-2]。陷落柱是煤層中常見的一種構(gòu)造，在我國(guó)許多礦井開采煤層內(nèi)均有分布，為合理地開采煤炭資源，多數(shù)礦井布置工作面時(shí)盡量避免回采過程中揭露陷落柱，將工作面巷道布置在陷落柱內(nèi)，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)過程中通過陷落柱[3]。掘進(jìn)巷道遇陷落柱，不僅影響巷道掘進(jìn)效率，還造成銜接緊張等問題，同時(shí)，陷落柱周圍巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部節(jié)理裂隙中含有較多水源，掘進(jìn)過程中易導(dǎo)致突水等事故發(fā)生。本文以西銘礦49403 工作面皮帶巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐方法，對(duì)掘進(jìn)巷道過陷落柱措施以及巷道支護(hù)優(yōu)化方案進(jìn)行了研究。

1 49403 工作面概況

西銘礦49403 工作面開采煤層為9 號(hào)煤，煤層厚度平均為2.85 m，傾角平均為5°，煤層結(jié)構(gòu)一般。工作面傾斜長(zhǎng)度為180 m、走向長(zhǎng)度為980 m，埋深為131～392 m，平均為260 m。根據(jù)地質(zhì)資料，該工作面內(nèi)賦存有11 個(gè)陷落柱，皮帶巷掘進(jìn)過程中將揭露X9582、X9588 陷落柱，陷落柱參數(shù)如表1 所示。X9582陷落柱影響皮帶巷長(zhǎng)度約為25 m，X9588 陷落柱影響長(zhǎng)度約為39 m，由于影響長(zhǎng)度較小，巷道掘進(jìn)過程中直接通過該陷落柱。工作面頂板情況如圖1 所示。

圖1 49403 工作面頂板柱狀圖

表1 49403 工作面陷落柱參數(shù)

2 陷落柱區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)特征

2.1 陷落柱圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征

根據(jù)已有研究成果可知，陷落柱的產(chǎn)生是由于地下水侵蝕作用下對(duì)巖體產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致巖層完整性被破壞，部分區(qū)域缺失后由其他巖層充填形成的充填體[6]。陷落柱往往處于構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域，并且受力極不均勻，因此巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律性差。為有效分析陷落柱承載受力特征，將陷落柱視為一受力規(guī)則、性質(zhì)均一的圓體，由巖石彈塑性理論可知，陷落柱應(yīng)力分布圖如圖2 所示[7]。從圖2 中可以看出，圓體邊緣側(cè)向應(yīng)力最大值為2rH，其中r 為巖層容重，H 為煤層埋深。由于煤體極限承載能力往往低于該側(cè)向應(yīng)力，并且在地應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用下，陷落柱與巖層交界處將形成一個(gè)塑性破碎區(qū)，該位置發(fā)育有大量節(jié)理裂隙，因此在臨近陷落柱影響區(qū)域時(shí)，需加強(qiáng)圍巖支護(hù)強(qiáng)度，采取措施提高圍巖整體性。

圖2 陷落柱周圍應(yīng)力分布圖

2.2 圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)窺視

由于在陷落柱前后區(qū)域圍巖破碎程度較高，為確認(rèn)巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，采用鉆孔窺視方法對(duì)陷落柱前方10 m 范圍內(nèi)頂板巖層進(jìn)行了分析，下頁(yè)圖3 為鉆孔窺視圖，鉆孔深度為10 m。從圖3 中可以看出，孔內(nèi)2.4 m 處頂板破碎，存在空洞；孔內(nèi)3.5 m 處存在多條縱向裂隙，裂隙長(zhǎng)度約為39 mm；孔內(nèi)5.1 m 處頂板破碎，存在空洞。綜合分析可以看出，鉆孔內(nèi)有大量構(gòu)造發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性極差。

圖3 鉆孔窺視圖

3 圍巖控制技術(shù)研究

針對(duì)49403 工作面皮帶巷過陷落柱危巖體，采用超前注漿技術(shù)對(duì)工作面前方煤體圍巖進(jìn)行加固，同時(shí)對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道快速過陷落柱。

3.1 超前注漿加固技術(shù)

注漿技術(shù)通過改變圍巖特性，提高巖體之間膠結(jié)程度，并對(duì)其內(nèi)部節(jié)理裂隙進(jìn)行充填，從而加固巖體強(qiáng)度，提高圍巖穩(wěn)定性。超前注漿鉆孔將根據(jù)加固區(qū)域分別設(shè)計(jì)參數(shù)，注漿鉆孔布置如圖4 所示。從圖4中可以看出，巷道迎頭煤體1～5 號(hào)鉆孔主要對(duì)頂板圍巖進(jìn)行加固，使頂板能夠形成穩(wěn)定的自然拱，減弱巷道掘進(jìn)對(duì)深部圍巖的影響；6、7 號(hào)鉆孔對(duì)巷道兩幫煤體進(jìn)行加固，提高煤體強(qiáng)度，增大其支撐頂板能力；8、9 號(hào)鉆孔對(duì)巷道兩底角底板進(jìn)行加固，防止巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

圖4 超前注漿鉆孔布置圖（單位：mm）

單次注漿難以實(shí)現(xiàn)一次性加固圍巖效果，因此根據(jù)該巷道陷落柱影響長(zhǎng)度，確定單次循環(huán)加固長(zhǎng)度為15 m，1～5 號(hào)鉆孔距離頂板0.5 m，間距1 m；6、7 號(hào)鉆孔距離兩幫0.5 m，底板1.5 m，間距4 m；8、9 號(hào)鉆孔距離底板0.3 m，兩幫0.5 m，間距4 m，鉆孔參數(shù)如表2 所示。注漿材料選用超高水A、B 加固材料，水灰比為0.7∶1，注漿泵壓力為10～15 MPa。

表2 爆破參數(shù)

3.2 巷道支護(hù)方案

巷道掘進(jìn)過陷落柱期間，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并采用架棚支護(hù)方式控制圍巖，提高圍巖穩(wěn)定性。該方案在陷落柱前方5 m 處開始使用，直至出陷落柱區(qū)域5 m 后再更改為原巷道支護(hù)方案，巷道支護(hù)方案如圖5 所示。頂板錨桿布置排距由1 100 mm 調(diào)整為1 050 mm，錨索由2-0 布置調(diào)整為3-0 布置，頂板由金屬網(wǎng)支護(hù)優(yōu)化為鋼筋網(wǎng)+塑料網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。棚梁采用12 號(hào)工字鋼，頂梁長(zhǎng)度為4 500 mm，上腿長(zhǎng)度為1 400 mm，下腿長(zhǎng)度為1 600 mm，搭接長(zhǎng)度為100 mm，工字鋼棚排距為1 000 mm。棚與圍巖之間用背板充填密實(shí)。

圖5 過陷落柱巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3.3 實(shí)踐效果

工作面更改圍巖控制方案后，巷道掘進(jìn)效率相較于過去有了較大提升，掘進(jìn)日進(jìn)尺由2 m 提升至3 m，同時(shí)對(duì)過陷落柱區(qū)段圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為30 d。監(jiān)測(cè)期間，巷道頂板下沉量最大為86 mm，兩幫移近量最大為67 mm，并且陷落柱前后區(qū)域頂板無明顯下沉現(xiàn)象，巷道圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文以西銘礦49403 工作面皮帶巷條件為基礎(chǔ)，采用理論分析、窺視監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐方法，對(duì)掘進(jìn)巷道過陷落柱技術(shù)措施進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）陷落柱與煤層交界處由于煤體極限承載能力低于構(gòu)造應(yīng)力，在地應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用下，將形成一個(gè)塑性破碎區(qū)，該區(qū)域圍巖內(nèi)部發(fā)育有大量節(jié)理裂隙，需加強(qiáng)圍巖支護(hù)強(qiáng)度，采取措施提高圍巖整體性。

2）采用超前注漿技術(shù)，對(duì)工作面前方煤體圍巖進(jìn)行加固，提高圍巖整體性，同時(shí)對(duì)過陷落柱區(qū)域及前后5 m 范圍圍巖支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，提高巷道穩(wěn)定性。