掘進(jìn)巷道過(guò)陷落柱安全技術(shù)研究

吳長(zhǎng)擂

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048006）

陷落柱在我國(guó)煤礦開(kāi)采中為常見(jiàn)的地質(zhì)體，給煤礦的正常開(kāi)采帶來(lái)了巨大影響[1-3]。在實(shí)際生產(chǎn)中，陷落柱對(duì)煤礦的危害主要是破壞了煤層的連續(xù)性，影響了煤礦采掘施工。由于需要繞過(guò)陷落柱，放緩了掘進(jìn)速度，同時(shí)要求提高巷道支護(hù)工作面安全系數(shù)技術(shù)難度，造成回采工作中的放棄開(kāi)采，并影響到資源量的開(kāi)發(fā)[4-5]。一般來(lái)說(shuō)，由于陷落柱分布情況復(fù)雜，巖體松散，工作面地應(yīng)力疊加，常常需要合適的支護(hù)方案。本文針對(duì)長(zhǎng)平煤礦5303巷道掘進(jìn)過(guò)程中遇到DX70陷落柱的問(wèn)題，提出了掘進(jìn)中存在的問(wèn)題和安全防護(hù)措施，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

1 概況

長(zhǎng)平煤礦位于太行山西側(cè)南端，主要開(kāi)采3#煤層。在5303中部底抽巷掘進(jìn)過(guò)程中，該巷道已經(jīng)掘進(jìn)50m，預(yù)計(jì)在80.9m處，揭露DX70陷落柱。根據(jù)礦井地質(zhì)預(yù)測(cè)資料，該陷落柱呈橢圓形，長(zhǎng)軸約417m，短軸約140m，主要以粗粒砂巖、泥巖夾碎石為主，含有少量煤屑，相對(duì)干燥。陷落柱與煤層接觸邊緣煤層松軟，見(jiàn)有風(fēng)化現(xiàn)象，掘進(jìn)過(guò)程中預(yù)計(jì)通過(guò)128m。為確保施工安全，需要對(duì)此區(qū)段進(jìn)行安全支護(hù)。

2 過(guò)陷落柱中的難題

2.1 原施工設(shè)計(jì)方案

過(guò)巷道初期，結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)情況和生產(chǎn)實(shí)際，提出了三套過(guò)陷落柱的方案：

方案一：直接推過(guò)。在距離預(yù)測(cè)陷落柱位置30m時(shí)，采取邊探邊掘的方法對(duì)該陷落柱進(jìn)行打鉆探查，根據(jù)陷落柱的準(zhǔn)確具體位置及水文地質(zhì)特性，直接推過(guò)。此方案不會(huì)浪費(fèi)煤炭資源，但是該方案工期較長(zhǎng)，對(duì)采煤工作有影響。

方案二：掘進(jìn)配巷甩陷落柱。施工探巷探測(cè)陷落柱的準(zhǔn)確具體位置，并施工繞道繞過(guò)陷落柱。此方案工期短，相對(duì)安全，對(duì)采煤工作影響小。缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高，會(huì)損失部分資源。

方案三：重新掘進(jìn)，更換工作面。該方案安全系數(shù)高，但是工期較長(zhǎng)，資源損失量大，易造成采掘銜接失調(diào)

2.2 存在的問(wèn)題分析

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，結(jié)合實(shí)際遇到陷落柱的具體情況，確定執(zhí)行方案一，直接通過(guò)陷落柱，但在掘進(jìn)過(guò)程中主要面臨的問(wèn)題有：

（1）在通過(guò)DX70陷落柱期間，巷道頂板和幫圍巖為陷落柱墻體破碎混合巖體，整體穩(wěn)定性相對(duì)較差，護(hù)幫錨只能固定在松散破碎的巖體中，受應(yīng)力的影響較大，支護(hù)效果不穩(wěn)定；

（2）對(duì)巷道頂板與幫之間的三角煤柱的支護(hù)效果差，在通過(guò)陷落柱時(shí)容易造成垮落；

（3）巷道頂板應(yīng)力集中，原頂板錨桿和鋼帶維護(hù)斷面較小，對(duì)頂板的支護(hù)效果不及預(yù)期，鋼板常出現(xiàn)斷裂，并發(fā)生網(wǎng)兜和冒落現(xiàn)象。

3 過(guò)陷落柱安全技術(shù)

過(guò)陷落柱時(shí)除采用科學(xué)合理加固措施保證掘進(jìn)面圍巖體穩(wěn)定以外，尚需采用適當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)工序工藝，從而與加固措施相輔相成，達(dá)到最佳的過(guò)陷落柱效果，減少過(guò)構(gòu)造所帶來(lái)的損失。根據(jù)5303巷道的實(shí)際情況，主要采取以下安全技術(shù)來(lái)進(jìn)一步保證安全。

（1）加強(qiáng)礦壓觀測(cè)

通過(guò)過(guò)陷落柱期間頂板離層儀、頂板錨桿（索）壓力表、圍巖位移等數(shù)據(jù)觀測(cè)、記錄，定量分析圍巖的穩(wěn)定性，并做出預(yù)警預(yù)判。重點(diǎn)觀測(cè)頂板及兩幫位移量，對(duì)頂板條件不好地段及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

（2）加強(qiáng)頂板支護(hù)

由于陷落柱周圍圍巖較為破碎，給頂板管理帶來(lái)很多的問(wèn)題，而頂板又是決定工作面安全性的主要因素，因此，通過(guò)陷落柱時(shí)應(yīng)特別注意加強(qiáng)頂板的支護(hù)。在支護(hù)設(shè)計(jì)合理的前提下，確保臨時(shí)支護(hù)可靠、有效，并嚴(yán)格按照安全技術(shù)措施要求施工錨桿（索），保證支護(hù)施工達(dá)到質(zhì)量要求。

（3）架棚聯(lián)合支護(hù)

過(guò)陷落柱期間，采用錨注+架棚聯(lián)合支護(hù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件及時(shí)調(diào)整間排距。當(dāng)頂錨索預(yù)緊力能夠達(dá)到200kN，頂幫錨桿預(yù)緊力矩能夠達(dá)到300N.m時(shí)，棚距1m，棚滯后工作面不大于10m；當(dāng)頂錨索預(yù)緊力介于150～200kN之間，幫錨桿預(yù)緊力矩介于200～300N.m之間時(shí)，棚距縮小為0.8m，棚滯后工作面不超過(guò)5m；當(dāng)頂錨索預(yù)緊力小于150kN或頂幫錨桿預(yù)緊力矩小于200N.m時(shí)，棚距縮小為0.8m，棚滯后工作面不超過(guò)1m，防止冒頂事故發(fā)生。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)和效果分析

4.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在對(duì)原來(lái)設(shè)計(jì)方案和問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上，為能夠安全、快速、優(yōu)化地通過(guò)陷落柱，提出了注漿、架設(shè)鋼棚的聯(lián)合支護(hù)措施。

（1）注漿支護(hù)。在5303巷道掘進(jìn)至90m處時(shí)，在工作面施工一排注漿孔，共8個(gè)，鉆孔間距2m，鉆孔深度10m，與頂板呈35°角進(jìn)行布置；巷道兩幫布置鉆孔4個(gè)，間距為1m，鉆孔深度為6m。采用馬麗散混合液進(jìn)行注漿。若在注漿期間發(fā)現(xiàn)有滲漏現(xiàn)象，應(yīng)立即停止注漿，并封堵鉆孔處理。相鄰兩排注漿孔距離為1.1m，依次直到通過(guò)陷落柱。

（2）梯形鋼棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)（圖1）。采用凈寬4200mm長(zhǎng)的12#工字鋼梁，Φ18×880mm金屬拉桿，U25#可伸縮腿，上腿長(zhǎng)1800mm，下腿長(zhǎng)2000mm，上棚腿與下棚腿搭接長(zhǎng)度不小于400mm，下棚腿要立在巷道底板硬底上。棚腿與底板夾角為82°，棚腿扎角450～550mm，1000mm垂線量得的扎角為140mm，允許偏差±17mm。棚距保持1.0m，采用“1梁2柱”形式。采用長(zhǎng)1200mm× 寬 150（100～150）mm× 厚 50（30～50）mm的木背板，頂板不平整部分，應(yīng)使用柱帽、木楔等材料背緊，確保棚梁接頂嚴(yán)實(shí)。所架棚梁接頂困難，應(yīng)在棚梁上方架設(shè)“井”字型木垛，以保證對(duì)頂板的支撐有力、有效。

水平巷道金屬棚前傾后仰±1°，即在棚腿前掛1m垂線末端至棚腿間距允許誤差±17mm；傾斜巷道金屬棚必須有一定的迎山角（迎山角指傾斜巷道中支柱與巷道頂?shù)装宕咕€之間向上傾斜的角度，一般為巷道傾角的1/8～1/6，最大不超過(guò)8°）。如表1所示。

4.2 應(yīng)用效果分析

5303巷道在經(jīng)過(guò)DX70陷落柱時(shí)，采用了錨注+注漿+架設(shè)鋼棚的聯(lián)合支護(hù)措施，對(duì)破碎頂板和巷幫進(jìn)行了有效防護(hù)，確保了礦井的安全生產(chǎn)。

（1）通過(guò)鉆孔注漿支護(hù)以后，顯著提高了巖體的承載力和穩(wěn)定性。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，注漿后的巖體單軸抗壓強(qiáng)度由原來(lái)的18MPa提高到了60.3MPa，降低了危險(xiǎn)系數(shù)。

（2）通過(guò)鋼棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止了因錨桿支護(hù)不利而產(chǎn)生的局部垮落，提高了頂板穩(wěn)定性和安全性，有效防止了頂板冒落和垮落事故的發(fā)生，提高了掘進(jìn)效率。

（3）在巷道經(jīng)過(guò)DX70陷落柱期間，設(shè)計(jì)了3m和6m共2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。通過(guò)近30d的觀測(cè)，2個(gè)基點(diǎn)位移量如圖2所示。3m處基點(diǎn)位移量隨著時(shí)間的增大而逐漸增大，并在約27d時(shí)達(dá)到最大位移量80m，并由此保持相對(duì)穩(wěn)定；而6m處基點(diǎn)位移量?jī)H不到10m，并隨著時(shí)間的變化而不變。因此，本次支護(hù)方案維護(hù)效果明顯。

表1 架設(shè)鋼棚支架與巷道傾角關(guān)系

圖1 巷道架設(shè)鋼棚支護(hù)圖（mm）

圖2 不同基點(diǎn)位移與時(shí)間關(guān)系

5 結(jié)論

本次對(duì)長(zhǎng)平煤礦5303巷掘進(jìn)過(guò)程中遇到DX70陷落柱的問(wèn)題進(jìn)行了深入剖析，對(duì)初步設(shè)計(jì)的安全防護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)探討。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和礦井生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了注漿+架設(shè)鋼棚的聯(lián)合防護(hù)措施。經(jīng)過(guò)實(shí)地檢驗(yàn)證明，該方案的支護(hù)效果明顯，有效提高了圍巖穩(wěn)定性，加快了巷道的掘進(jìn)進(jìn)程，保障了煤礦的安全生產(chǎn)，達(dá)到了安全防護(hù)目的。