采掘工作面遇巖溶陷落柱的安全開采技術(shù)

吳俊生

(山西陽(yáng)煤景福煤業(yè)有限公司，山西 壽陽(yáng) 045400)

0 引言

“陷落柱”經(jīng)常發(fā)生在堅(jiān)硬的不可溶性的巖層中，其形成實(shí)質(zhì)是古老的巖層在發(fā)展的過(guò)程中，由于受到外力或自身的原因?qū)е绿纬傻奶厥獾牡刭|(zhì)狀態(tài)。在煤炭開采階段，陷落柱是煤層的巖溶基石發(fā)生坍塌的結(jié)果，這類地質(zhì)坍塌稱為埋藏型巖溶坍塌。陷落柱大多以圓形或橢圓形為主，在長(zhǎng)年累積的過(guò)程中，形成直徑較大、高度較大的柱體，有的范圍超過(guò)百米，以鋸齒狀為主要坍塌狀態(tài)，切割煤層，對(duì)煤炭開采造成困難。研究采煤工作面過(guò)陷落柱構(gòu)造具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 巖溶陷落柱特點(diǎn)

1.1 地表特征

在巖溶柱發(fā)生坍塌的地表表層上，多以盆型、丘狀凸起為主，還有其他柱狀坍塌狀。山西某礦區(qū)的的道路兩旁的地形級(jí)就有顯著巖溶柱坍塌的特點(diǎn)，在那里均可見到柱狀坍塌的形狀帶。而在具有大量黃土覆蓋的地帶，陷落柱坍塌有可能讓黃土形成圓形或大小不一致的裂縫，這就是最常見的陷落柱坍塌地表特征。

1.2 陷落柱井下特征

陷落柱的井下特征主要利用空間三維來(lái)對(duì)形狀進(jìn)行描述。如果橫向考慮的話，陷落柱與地面或者煤層面的切面的形狀為平面圖形。一般而言，橢圓形切面的大概有70%，其中呈現(xiàn)圓形的則只占到了8%，其他的圖形則有30%。而如果縱向考慮的話，也就是從陷落柱的剖面來(lái)考慮問(wèn)題，其主要表現(xiàn)是沿著中心軸的部分剖開整個(gè)陷落柱從而呈現(xiàn)的形態(tài)。剖面的形狀則是由巖體結(jié)構(gòu)來(lái)決定，例如，如果是含水的軟巖則剖面大多呈現(xiàn)漏斗形；如果是不容易坍塌的堅(jiān)巖層，剖面則會(huì)呈現(xiàn)出錐形，如圖1所示。而陷落柱的高度同樣是縱向考慮的關(guān)鍵。而陷落柱坍塌的頂部到底部的垂直度和陷落柱所在溶洞的范圍、所處巖層的地理特點(diǎn)、物理特性、地下水的滲透性和巖層裂縫的形成程度有著莫大的關(guān)系。一般而言，陷落柱的高度受到地形等各種因素的影響，高度在幾十米到百米之間，但如果地理?xiàng)l件特殊和巖層特性穩(wěn)定，陷落柱則會(huì)高達(dá)幾百米。最后一個(gè)需要考慮的維度是中心軸。中心軸和其他的維度參數(shù)考慮的不同，它是將所有平面的中心位置進(jìn)行點(diǎn)線連接。通常情況下，中心軸的位置以垂直于巖層面的方式貫穿，按照理論來(lái)講，中心軸則會(huì)呈現(xiàn)垂直的狀態(tài)，但實(shí)際因受到各個(gè)巖層形狀面的不同而出現(xiàn)傾斜，甚至扭曲的狀態(tài)。而在進(jìn)行采掘的過(guò)程中，掌握中心軸的傾斜狀況就可以了解下部煤層和陷落的位置，從而降低煤礦開采的危險(xiǎn)度。

圖1 陷落柱的形態(tài)特征

2 巖溶陷落柱對(duì)煤礦生產(chǎn)造成的影響

由于煤層含有煤氣層，在地下開采的過(guò)程中，往往會(huì)先開采煤氣或排放煤層氣，以降低地下開采工程的危險(xiǎn)度。如果忽視了陷落柱坍塌的問(wèn)題，就有可能增加礦井的危險(xiǎn)指數(shù)。在巖溶陷落柱形成階段，所產(chǎn)生的氣體大多數(shù)是通過(guò)通天柱向外排放，因此，煤礦的淺層較為安全。而在煤層底層則通過(guò)半截柱確保煤氣不會(huì)影響到井下作業(yè)，甚至?xí)S著深層的地下水排到境外，從而大幅度提高作業(yè)的安全性。當(dāng)然，一般在煤炭開采階段，多以淺層挖掘?yàn)橹鳎@就讓迫使煤氣和水進(jìn)行頻繁的交替。與此同時(shí)，水和煤氣交替形成甲烷，而甲烷又和氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而形成氮?dú)夂投趸?。這對(duì)于煤炭開采構(gòu)成一種潛在的威脅。

陷落柱周圍的含水度提高，會(huì)使煤炭的氧化速率變快，而如果不加以阻止，類似的化學(xué)反應(yīng)將會(huì)對(duì)煤炭的質(zhì)量形成嚴(yán)重影響。

陷落柱的坍塌將會(huì)對(duì)煤炭的儲(chǔ)存空間形成嚴(yán)重的影響。例如，陷落柱發(fā)生坍塌，而塌陷的部分將會(huì)有其他的巖層或雜質(zhì)進(jìn)行填充，從而影響了煤炭的存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致煤炭地儲(chǔ)存含量大幅度下降。

如果在進(jìn)行煤炭開采的初級(jí)階段就發(fā)生了陷落柱坍塌情況，必將會(huì)對(duì)煤炭地質(zhì)勘探、進(jìn)一步開采造成重大不便，甚至?xí)匦逻x擇鑿井地點(diǎn)，重新開采，這對(duì)資本形成巨大的浪費(fèi)。

煤氣層的氣體很難在陷落柱的周圍進(jìn)行保存，因此陷落柱地處煤氣層的含氣量可通過(guò)自身就可消散。

巖溶陷落柱可以使煤層中的含水度增加，從而讓煤層氣透過(guò)陷落柱進(jìn)行消散。

3 陷落柱區(qū)域的支護(hù)方法

在煤礦開采過(guò)程中，對(duì)巖溶陷落柱的支護(hù)方法進(jìn)行探究是極為重要的問(wèn)題。其大致包含4點(diǎn)要求。

3.1 陷落柱頂塔搭建中注重錨桿和錨索的可錨性

為了預(yù)防陷落柱發(fā)生坍塌事故，則需要對(duì)主體的頂端進(jìn)行填充。一般而言，填充物由砂巖或者泥巖組成，但待陷落柱膠結(jié)后卻發(fā)現(xiàn)，整個(gè)效果卻并不理想，再加上，陷落柱周圍地質(zhì)問(wèn)題嚴(yán)重，會(huì)有較多的斷層或者縫隙，如果不多加注重，則會(huì)對(duì)整個(gè)煤層形成嚴(yán)重威脅，故而發(fā)生傾斜的可能。與此同時(shí)，陷落柱還會(huì)讓煤層中的水含量增加，這將會(huì)給頂塔的建造形成嚴(yán)重的影響。因此，為了確保煤炭掘進(jìn)工作的有序進(jìn)行，務(wù)必要注重錨桿和錨索的可錨性，特別是在進(jìn)行陷落柱頂塔搭建的過(guò)程中，確保錨桿和錨索在進(jìn)行錨固狀態(tài)時(shí)，每掘進(jìn)3 m，使用的錨固設(shè)備都要符合固力測(cè)試，以規(guī)范化操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頂塔的搭建錨固操作。一旦發(fā)現(xiàn)，巷道內(nèi)頂塔沒有可錨性，則就需要重新制定錨固方案，選擇具有可錨性的地方進(jìn)行搭建。

3.2 小錨索間距能夠加強(qiáng)支護(hù)作用

錨桿是錨索進(jìn)行固定的基礎(chǔ)，只有將錨桿通過(guò)孔壁與錨索粘連固定后，再將通過(guò)圍巖的次生承載層與更深層巖的承載層相連接，故而固定住次生承載層。但對(duì)于陷落柱而言，頂塔在搭建的過(guò)程中，錨桿的深度達(dá)不到此標(biāo)準(zhǔn)，因此會(huì)通過(guò)使用錨索來(lái)將頂板進(jìn)行牢固作業(yè)。這樣就對(duì)錨桿實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的牢固力，同時(shí)也增加了錨索的預(yù)緊力，減少頂板的承重力。當(dāng)然，為了提高巖層之間的穩(wěn)定性，在對(duì)錨索固定的時(shí)候，可通過(guò)調(diào)節(jié)間距來(lái)完成。例如，當(dāng)間距縮小到某個(gè)距離的時(shí)候，即使由于次生承載層因不穩(wěn)定導(dǎo)致斷裂的情況出現(xiàn)，都不影響頂板的錨固程度。

3.3 采取噴漿封閉、注漿填充措施

為了能夠加強(qiáng)支護(hù)措施，應(yīng)沿著頂板下沉作用力的方向?qū)⒉筛叩奈恢眠M(jìn)行降低，但在降低的過(guò)程中千萬(wàn)不能對(duì)頂板的巖層造成破壞，以免發(fā)生崩塌的危險(xiǎn)。而如果頂板下沉情況嚴(yán)重或已經(jīng)斷裂，這就會(huì)對(duì)整個(gè)陷落柱邊沿區(qū)域形成冒頂事故，因此，為了提高安全性，應(yīng)加大加強(qiáng)陷落柱區(qū)域的支護(hù)措施，對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)。再者，針對(duì)陷落柱的填充物有著嚴(yán)格的要求，并對(duì)填充的過(guò)程實(shí)行嚴(yán)格監(jiān)督。而當(dāng)對(duì)巖層實(shí)行巷道掘進(jìn)的過(guò)程中，一般會(huì)采取噴漿封閉的措施和對(duì)頂板進(jìn)行注漿填充，并膠結(jié)陷落柱內(nèi)的頂板。這是由陷落柱所處地理環(huán)境和陷落柱本身地質(zhì)條件決定的，目的是防止周圍巖層出現(xiàn)風(fēng)化導(dǎo)致錨桿和錨索的固定失效，對(duì)工程形成重大的威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

陷落柱在巖層發(fā)展過(guò)程中會(huì)對(duì)煤礦的儲(chǔ)煤環(huán)境形成一定的影響，甚至?xí)?duì)煤礦采掘工作和生產(chǎn)效益造成影響。通過(guò)對(duì)巖溶陷落柱特點(diǎn)進(jìn)行研究，掌握并了解陷落柱形成過(guò)程，從而對(duì)陷落柱采取相應(yīng)的支護(hù)措施，這對(duì)煤炭開采極為重要，隨著該技術(shù)不斷提高，必將為煤礦開采安全作業(yè)提供便利條件。