西曲礦18401軌道巷陷落柱局部圍巖控制技術(shù)研究

柴銀亮

（西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

煤炭開采過程中，由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，掘巷時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到不同的地質(zhì)構(gòu)造，如褶曲、斷層、陷落柱等，其中陷落柱又稱巖溶，主要由地下流水長(zhǎng)期侵蝕巖石形成小規(guī)模溶洞，在經(jīng)過長(zhǎng)期構(gòu)造應(yīng)力、覆巖載荷作用下，溶洞坍塌上部巖層陷落，形成不規(guī)則圓柱狀體[1，2]。我國(guó)華北、西北大多煤礦均存在較為發(fā)育的陷落柱，由于陷落柱附近巖體應(yīng)力及其力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜，極易形成塑性破壞區(qū)，當(dāng)巷道掘進(jìn)過程中遇到陷落柱時(shí)，巷道經(jīng)常出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，且一般的支護(hù)結(jié)構(gòu)容易失效，直接影響到礦井的高產(chǎn)高效[3，4]。

近年來，越來越多專家學(xué)者聚焦在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖控制技術(shù)的研究中，如張村等[5]根據(jù)圍巖變形特征，建立了陷落柱“厚筒壁四區(qū)”模型，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段進(jìn)行驗(yàn)證模型的可靠性。結(jié)果表明，該模型較好地描述陷落柱圍巖演化特征。宋彥琦等[6]進(jìn)行了橢圓陷落柱模型圍巖的應(yīng)力分析，得到了橢圓陷落柱圍巖應(yīng)力解析解，即截面長(zhǎng)軸端部應(yīng)力值最大，而短軸端部最小。許進(jìn)鵬等[7]通過薄板理論、極限平衡理論分析了陷落柱形成機(jī)理，闡述了陷落柱形成、發(fā)展的過程。何富連和張廣超[8]提出了“高強(qiáng)密集支護(hù)+新型噴層+滯后注漿”為核心的支護(hù)體系，分別從支護(hù)密度、噴層結(jié)構(gòu)等角度分析了軟巖巷道圍巖應(yīng)力演化及變形特征，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提出的支護(hù)體系后，圍巖得到良好控制。

地質(zhì)資料顯示，西曲礦18401工作面所布置的軌道巷附近存在陷落柱構(gòu)造，若不及時(shí)進(jìn)行陷落柱局部圍巖的加固，現(xiàn)場(chǎng)極有可能出現(xiàn)圍巖大變形情況，影響正常采煤工作，為防止試驗(yàn)巷道服務(wù)期間受陷落柱影響變形嚴(yán)重，中斷工作面生產(chǎn)，本文從陷落柱附近巷道圍巖變形特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)性提出陷落柱局部圍巖控制原則，最終開發(fā)形成了西曲礦18401軌道巷陷落柱局部圍巖控制技術(shù)，該技術(shù)可為陷落柱等構(gòu)造附近或其他復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境巷道圍巖控制提供參考，進(jìn)一步豐富礦山支護(hù)領(lǐng)域技術(shù)體系。

1 工程背景

18401工作面開采太原組8號(hào)煤層，圖1給出了工作面采掘工程平面圖及煤層柱狀圖，煤層平均厚度4.0 m，西南傾向，為近水平煤層（約4°），8號(hào)煤層節(jié)理較為發(fā)育，煤體普氏系數(shù)2，直接頂為石灰?guī)r（極易形成陷落柱），約2.4 m，基本頂及上覆巖層強(qiáng)度較高，約55~65 MPa，直接底、基本底分別為細(xì)砂巖（1.54 m）、粉砂巖（3.13 m），試驗(yàn)巷道頂?shù)装鍡l件較好，但是巷道附近存在陷落柱等構(gòu)造（如E1507陷落柱），因此需要對(duì)該影響區(qū)域附近進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，試驗(yàn)巷道斷面尺寸（寬×高）4.5 m×3.5 m。

圖1 18401工作面采掘工程平面圖及煤層柱狀圖

2 陷落柱局部圍巖變形特征

受陷落柱構(gòu)造的影響，其附近巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境極為復(fù)雜，圍巖力學(xué)性質(zhì)、變形特征類似于高應(yīng)力軟巖巷道，其流變現(xiàn)象嚴(yán)重，具有應(yīng)力環(huán)境惡劣、圍巖體破碎、自穩(wěn)困難等特點(diǎn)，需要采用局部特殊的圍巖控制手段，圖2給出了幾張陷落柱附近的一些巷道變形情況。從圖2可以看出巷道變形均較為嚴(yán)重，因此在巷道掘巷時(shí)，若遇到陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)礦壓觀測(cè)，必要時(shí)采取架棚等措施，避免巷道將由于變形嚴(yán)重而中斷服務(wù)，影響礦井正常開采。

圖2 陷落柱附近巷道變形特征

3 陷落柱局部圍巖控制原則及技術(shù)

3.1 控制原則

由于受陷落柱構(gòu)造影響，附近巷道所處環(huán)境特殊，在提出局部圍巖控制技術(shù)之前首先提出該類復(fù)雜巷道控制原則。

1）圍巖體力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)化原則。由于巷道附近圍巖環(huán)境惡劣，在充分調(diào)查測(cè)試圍巖體力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上通過注漿、表面噴層等措施強(qiáng)化圍巖體力學(xué)性質(zhì)，使之能夠形成承載結(jié)構(gòu)。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)主動(dòng)承載原則。巷道掘出后，提前形成人為進(jìn)行高強(qiáng)度主動(dòng)支護(hù)，如高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)，避免巷道圍巖過度變形破壞，誘發(fā)巷道整體失穩(wěn)。

3）圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同承載原則。優(yōu)化支護(hù)參數(shù)促使圍巖支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體化，改善支護(hù)體與圍巖完整性，形成整體協(xié)同承載，約束圍巖碎脹特性。

3.2 控制技術(shù)

根據(jù)試驗(yàn)巷道圍巖力學(xué)特征、陷落柱附近圍巖變形特征及所提出的陷落柱局部圍巖控制原則，開發(fā)形成試驗(yàn)巷道陷落柱局部圍巖控制技術(shù)，試驗(yàn)巷道尺寸4500 mm×3500 mm（寬×高），具體支護(hù)技術(shù)參數(shù)如下。

3.2.1 注漿錨桿提高圍巖體力學(xué)性質(zhì)

頂板及兩幫均采用長(zhǎng)度為L(zhǎng) 2500 mm的注漿錨桿，間排距1200 mm×1400 mm（配合高預(yù)應(yīng)力錨索交叉分布）。巷道幫部每排3根，下幫部錨桿向下傾斜15°，距底板600 mm；上幫部錨桿向上傾斜15°，距頂板500 mm。巷道頂板每排4根，靠近左右?guī)偷腻^桿均傾斜15°，距幫部450 mm，具體支護(hù)參數(shù)如圖3所示。注漿材料選用硅酸鹽水泥（425號(hào)），壓力3 MPa，巷道掘出后15 d注漿，并充分注漿提高圍巖體力學(xué)性質(zhì)。

3.2.2 高預(yù)應(yīng)力錨桿索形成強(qiáng)主動(dòng)承載結(jié)構(gòu)

頂板和兩幫均采用高預(yù)應(yīng)力錨桿索進(jìn)行支護(hù)，錨桿規(guī)格L2200 m×Φ24 mm左旋高強(qiáng)度錨桿，間排距700 mm×700 mm，幫部錨桿每排5根，頂板錨桿每排7根，均配厚12 mm、尺寸120 mm×120 mm的蝶形托盤和Φ12 mm雙筋梯子梁；錨索規(guī)格Φ21.6 mm，頂板L6300 mm、幫部L4300 mm，頂板及幫部錨索間排距分別為1500 mm×1400 mm、1200 mm×1400 mm（配合注漿錨桿交叉分布），幫部錨索每排2根，頂板錨索每排3根，均配厚15mm、尺寸300 mm×300 mm的蝶形托盤和3 mm厚的W鋼帶，鋼筋網(wǎng)采用12號(hào)鋼筋編制，規(guī)格3700 mm×1000 mm、4700 mm×1000 mm搭接而成，錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m，錨索預(yù)緊力不低于50 MPa，預(yù)應(yīng)力錨桿索施工過程中要保證其預(yù)緊力達(dá)到要求，從而形成高預(yù)應(yīng)力錨桿索強(qiáng)主動(dòng)承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

圖3 局部圍巖控制支護(hù)斷面圖（mm）

4 陷落柱局部圍巖控制效果

該技術(shù)在西曲礦18401軌道巷陷落柱附近巷道進(jìn)行了應(yīng)用，礦壓監(jiān)測(cè)表明技術(shù)的適用性，并在該礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用，效果均反映良好。下頁圖4給出了采用該技術(shù)后80 d內(nèi)的圍巖變形情況。從圖4可以看出，試驗(yàn)巷道整體圍巖控制效果良好，頂?shù)装鍑鷰r在50 d后達(dá)到最大收斂并逐漸穩(wěn)定，此時(shí)頂?shù)孜灰剖諗苛考s126 mm，兩幫圍巖在45 d后達(dá)到最大收斂并逐漸穩(wěn)定，此時(shí)兩幫位移收斂量約95 mm，監(jiān)測(cè)結(jié)果一定程度上表明了巷道圍巖的活動(dòng)規(guī)律，即巷道兩幫圍巖首先穩(wěn)定后，抑制頂板下沉活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的整體穩(wěn)定。

圖4 巷道表面位移收斂情況

5 結(jié)論

1）分析了陷落柱附近巷道圍巖的特點(diǎn)：應(yīng)力環(huán)境惡劣、圍巖體破碎、自穩(wěn)困難，提出了陷落柱局部圍巖控制原則：圍巖體力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)化原則；支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)主動(dòng)承載原則；圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同承載原則，該控制原則適用性強(qiáng)，可應(yīng)用于類似復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境、高應(yīng)力軟巖巷道。

2）基于陷落柱附近巷道圍巖特點(diǎn)的分析及提出的控制原則，開發(fā)了西曲礦18401軌道巷陷落柱局部圍巖控制技術(shù)：注漿錨桿提高圍巖體力學(xué)性質(zhì)；高預(yù)應(yīng)力錨桿索形成強(qiáng)主動(dòng)承載結(jié)構(gòu)。西曲礦18401軌道巷進(jìn)行應(yīng)用該技術(shù)后，巷道圍巖變形得到了有效控制，該巷道在服務(wù)期內(nèi)，頂?shù)装遄畲笪灰剖諗苛考s126 mm，兩幫圍巖最大位移收斂量約95 mm，礦壓結(jié)果驗(yàn)證了巷道圍巖的活動(dòng)規(guī)律，即巷道兩幫圍巖首先穩(wěn)定后，抑制頂板下沉活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的整體穩(wěn)定。同時(shí)該技術(shù)推廣應(yīng)用于該礦類似條件下巷道圍巖控制，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。