15203面回風順槽過陷落柱安全開采技術實踐

姬劍中

（晉能控股煤業(yè)集團首陽煤礦，山西 晉城 048000）

陷落柱是在長期地質構造作用下形成的地質體，由于陷落柱與周圍巖體的物理力學特性存在較大差異，且陷落柱內常含有地下水和瓦斯[1-2]。在陷落柱區(qū)域開采煤炭資源容易引發(fā)突水、瓦斯涌出、冒頂?shù)劝踩鹿蔥3]。陷落柱嚴重影響了采掘生產效率，給煤礦安全、高效開采帶來了很大的困難[4]。因此，有必要開展掘進工作面過陷落柱安全掘進技術研究與應用，以期提高陷落柱影響區(qū)工作面的掘進效率和安全性，為保障礦井安全生產提供技術保障[5]。

1 工程概況

晉能控股首陽煤礦位于山西晉城高平市境內，地理位置優(yōu)越，交通便利。首陽煤礦15203工作面回風順槽在推進至258～327 m時遭遇18#陷落柱。地質探測資料表明，該陷落柱長軸、短軸長度分別為99 m和69 m，位于工作面開采范圍內的長度約為44 m。陷落柱中的巖層受F10斷層作用，較為破碎，穩(wěn)定性差，嚴重影響掘進工作面的安全。同時，易造成工作面采掘設備損壞，亟需制定相應的安全施工技術和措施，保證工作面順利通過陷落柱影響帶。

2 安全開采理論

2.1 工作面過陷落柱綜合防治水技術

工作面三帶即工作面開采后形成的冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，根據(jù)三帶高度和工作面與陷落柱之間的位置關系，可將陷落柱分為“三帶以內型”和“三帶以外型”，如圖1所示。不同類型的陷落柱可采用不同的防治水技術。通常來說，“三帶以內型”陷落柱由于與工作面接觸范圍較廣，對工作面的影響和威脅也較大，針對這種類型的陷落柱常采用綜合防治水措施。首陽煤礦15203工作面回風順槽遭遇的18#陷落柱屬于“三帶以內型”陷落柱[6]。

圖1 陷落柱類型

陷落柱影響區(qū)域掘進工作面的綜合防治水技術主要措施有：首先，采用先進的地質勘探方法提前對陷落柱區(qū)域地質構造和水力聯(lián)系進行探查，分析水力網絡流動規(guī)律，為陷落柱水害治理提供依據(jù)。其次，提前對工作面采取探放水措施，探放水鉆孔布置方式一般為均勻布孔，施工放水鉆前必須進行耐壓試驗，并編制專用的探放水計劃，設置臨時水倉，確保排水暢通。再次，建立完善的礦井排水系統(tǒng)，并加強排水設備和人員管理，整體提高礦井的防治水能力，保證礦井安全、高效生產。

2.2 工作面過陷落柱支護技術

陷落柱區(qū)域內煤巖體較為破碎，掘進工作面通過該區(qū)域時，需采用加強支護技術。目前，煤礦中常用的過陷落柱加強支護技術包含錨網支護技術如圖2（a）所示和工字鋼棚支護技術如圖2（b）所示。錨網支護技術可對圍巖破碎區(qū)進行有效支護，當工作面穿越陷落柱區(qū)域時，采用錨網支護來保證作業(yè)的安全，減小陷落柱對工作面的影響程度，保證開采條件達到相應的要求。錨網支護需按照先支護頂板，后支護兩幫的順序開展，以使支護效果達到最佳。若陷落柱區(qū)頂板圍巖壓力較大，采用錨網支護不足以保證工作面安全時，可采用工字鋼棚支護技術。常采用高強度礦用工字鋼搭建工字鋼棚，工字鋼棚具有較好的支護強度，可有效控制圍巖形變。在搭建工字鋼棚時需注意對工字鋼位置進行精準定位，同時，在鋼棚上加裝防滑器，保證支護結構的穩(wěn)定性和牢固性。鋼棚搭建完成后，需仔細檢查搭建質量，并對施工現(xiàn)場進行清理。

圖2 陷落柱區(qū)掘進工作面支護方式

2.3 掘進工作面過陷落柱技術

工作面掘進技術對圍巖的穩(wěn)定性具有十分重要的影響，工作面穿越陷落柱時圍巖本身穩(wěn)定性較差，此時，需采用適當?shù)木蜻M技術，降低掘進對圍巖的影響，保證掘進工作面的安全。工作面過陷落柱掘進技術包括掘進參數(shù)優(yōu)化、圍巖注漿加固與監(jiān)測等。掘進參數(shù)優(yōu)化是在綜合評估陷落柱區(qū)地質條件的基礎上，對原有的掘進參數(shù)進行調整，如減小進尺速度、降低掘進高度等。特別是當陷落柱巖層強度較大，機械化綜掘進設備無法通過時，可變更掘進方式，采用炮掘技術快速通過。圍巖注漿加固與監(jiān)測是采用注漿加固技術對工作面內陷落柱區(qū)域圍巖進行加固，提升圍巖的穩(wěn)定性。同時，采用實時監(jiān)測手段，選取合適的點位，安裝圍巖位移監(jiān)測站，評估圍巖的穩(wěn)定性，為進一步優(yōu)化掘進參數(shù)提供參考。

3 安全開采技術應用與驗證

3.1 安全掘進技術應用

根據(jù)首陽煤礦15203工作面回風順槽在掘進至258～327 m時遭遇18#陷落柱的實際情況，設計采用“直接截割+爆破落煤”相結合的掘進方法。18#陷落柱在15203工作面的位置如圖3所示。

圖3 18#陷落柱在15203綜采工作面的位置

當工作面進入陷落柱范圍內時，降低截割速度。若截割的煤巖體硬度不大則直接通過。當遭遇硬度較大的巖石時，若發(fā)現(xiàn)掘進機負荷上升明顯，機身抖動，則需停止截割，采用爆破落煤方法，對陷落柱段圍巖進行松動爆破。爆破時需注意，采用打淺眼、少裝藥的原則，爆破循環(huán)進尺應小于2 m。通過全巖段時，炮眼采用三排五花眼布置方式，炮眼間距控制在1 m以內，單個炮眼裝藥量小于0.4 kg，同時起爆炮眼數(shù)量不應大于5個。15203工作面回風順槽過18#陷落柱的炮眼布置如圖4所示。

圖4 過陷落柱炮眼布置

由于15203工作面回風順槽遭遇18#陷落柱后，頂板圍巖較為破碎，結合工作面實際地質條件和工作面過陷落柱支護技術的需要，確定15203工作面回風順槽穿越陷落柱區(qū)域采用“高強預應力錨桿+鋼帶+錨網+工字鋼棚”的支護方法。其支護參數(shù)為：頂板支護采用φ20 mm×2 200 mm高強預應力錨桿，錨桿間排距為1 100 mm×900 mm。工字鋼棚采用11#礦用工字鋼加工，錨網采用規(guī)格為2 300 mm×6 000 mm的金屬菱形網，鋼帶規(guī)格為W-4 300 mm×280 mm×3 mm的5孔鋼帶。兩幫支護所采用錨桿規(guī)格與頂板相同，錨桿間排拒為800 mm×900 mm，鋼帶規(guī)格為W-2 700 mm×280 mm×3 mm的4孔鋼帶。

3.2 效果驗證

為驗證15203工作面回風順槽過18#陷落柱所采用的掘進技術及支護技術效果，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模擬模型，對圍巖變形情況進行分析。模擬的15203工作面回風順槽垂直位移云圖如圖5所示。從圖中可以看出，15203工作面回風順槽掘進后巷道頂板中部的垂直位移量最大，約為25.12 mm，巷道底鼓量次之，約為10.36 mm?？梢?，在15203工作面回風順槽采用“高強預應力錨桿+鋼帶+錨網+工字鋼棚”的支護技術，圍巖變形量較小，可安全高效的通過陷落柱影響區(qū)，有效提高掘進工作面生產效率[7]。

圖5 15203綜采工作面回風順槽垂直位移云圖

4 結論

1）結合首陽煤礦15203工作面回風順槽在推進至258～327 m時遭遇18#陷落柱的工程背景，從綜合防治水技術、支護技術和掘進技術等方面提出了工作面過陷落柱安全開采的技術措施。

2）基于工作面過陷落柱安全掘進理論，提出在15203工作面回風順槽采用“高強預應力錨桿+鋼帶+錨網+工字鋼棚”的支護技術通過陷落柱影響區(qū)，并在FLAC3D中分析了技術應用效果，結果表明，采用以上支護技術后，圍巖變形量較小，有效保證了巷道的安全使用。