掘進(jìn)巷道過陷落柱分析及支護(hù)技術(shù)研究

王 喆

（晉能控股集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司，山西晉城 048007）

由于煤層的賦存狀況日趨復(fù)雜，在礦區(qū)的煤層區(qū)域中存在著許多構(gòu)造。陷落柱是煤礦中普遍存在的一種結(jié)構(gòu)形式，它廣泛存在于煤礦的煤層中，為了使煤礦資源得到合理的利用，大多數(shù)礦井在采掘時(shí)都會(huì)盡量避免暴露出塌方，采場巷道設(shè)置在陷落柱中，造成了巷道在掘進(jìn)時(shí)通過陷落柱。掘進(jìn)巷道遇塌方柱的存在，不但影響了巷道的施工效率，而且存在著銜接不暢等問題。塌方柱圍巖的構(gòu)造比較復(fù)雜，其內(nèi)部節(jié)理裂縫中的水源含量高，在開挖過程中容易出現(xiàn)突水和其他安全事故。根據(jù)晉能控股集團(tuán)49403 工作面皮帶巷的施工情況，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法，探討了掘進(jìn)巷道通過陷落柱的保護(hù)措施和巷道的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 49403工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)49403工作面的煤層為9號煤，煤層平均厚度2.85m，傾斜角度5°，煤體構(gòu)造較為普通。工作面坡度為180m，走向長度為980m，埋設(shè)深度1392m，平均深度260m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)數(shù)據(jù)分析，礦區(qū)有11 個(gè)陷落柱，在皮帶巷開挖期間，將會(huì)露出X9582、X9588 陷落柱，在表格1 中顯示了陷落柱的參數(shù)。X9582沉降樁對皮帶巷的作用是25m左右，而X9588沉降樁對巷道的作用則是39m 左右，但其對巷道的影響不大，因此在巷道開挖時(shí)可以直接穿過[1]。圖1顯示了采場的頂板狀況。

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)力場特征

通過對現(xiàn)有研究結(jié)果的分析，認(rèn)為塌陷柱是由地下水沖刷引起的巖體結(jié)構(gòu)破壞，造成巖層整體完整性受損，并出現(xiàn)局部消失現(xiàn)象以后，再由其它巖層填充而成。由于塌陷柱體位于構(gòu)造應(yīng)力場的中心位置，其受力較不均衡，因而其節(jié)理面裂縫的發(fā)育無明顯規(guī)律。為了對陷落柱的受力特性進(jìn)行有效的分析，將其看作一個(gè)受力均勻、材質(zhì)均勻的圓形物體，通過對巖體的彈性力學(xué)分析，得到了沉陷柱體的應(yīng)力分布圖。如圖2所示，圓體的最大側(cè)向應(yīng)力是2γH，γ是巖石的容重，H是煤層的深度。在采煤過程中，煤體的極限承載力常常低于這一側(cè)向應(yīng)力的水平，而且在地應(yīng)力場的累加作用下，在陷落柱—巖層交界面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有較多節(jié)理斷裂的塑性破碎區(qū)，所以，在接近陷落柱影響范圍的情況下，必須加強(qiáng)巖層的支撐，并采用相應(yīng)的加固方法來改善其整體性能。

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

在陷落柱前后，圍巖破裂情況嚴(yán)重，為了確定巖體的內(nèi)部構(gòu)造，本文利用鉆孔窺探法對陷落柱前10m 的頂板進(jìn)行了探查，圖3 為鉆孔窺視圖。如圖3 所示，孔徑2.4m 處的頂板破裂，出現(xiàn)了孔隙；孔徑3.5m 處有多條長約39mm的縱向裂縫；鉆孔5.1m處的頂板斷裂，出現(xiàn)了孔隙。通過對該井的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該井中存在著大量的構(gòu)造發(fā)育，圍巖的穩(wěn)定性非常差。

圖3 鉆孔窺視圖

3 圍巖控制技術(shù)研究

為了解決49403皮帶巷塌陷柱危巖的問題，在開采過程中，采取了超前注漿法，加強(qiáng)了采區(qū)的煤體圍巖，并優(yōu)化了巷道的支撐措施，使巷道能夠迅速通過陷落柱區(qū)域。

3.1 超前注漿加固技術(shù)

注漿工藝主要是通過改善巖層的性質(zhì)，改善巖石的粘接程度，填充節(jié)理縫中的裂縫，增強(qiáng)巖層的強(qiáng)度，改善巖層的穩(wěn)定。超前注漿鉆孔的參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮注漿區(qū)域的實(shí)際條件，圖4說明了鉆孔的位置分布。如圖4所示，巷道迎頭煤體1～5鉆孔的主要作用是加強(qiáng)頂板的圍巖，從而形成穩(wěn)定的天然拱洞，減輕了巷道開挖對深部圍巖的影響；6、7 井眼加強(qiáng)了兩幫煤層，增強(qiáng)了煤的強(qiáng)度，增加了它的支承能力；8、9 鉆孔加強(qiáng)了巷道兩側(cè)底角的底板，以避免產(chǎn)生底鼓。

圖4 超前注漿鉆孔布置圖(單位:mm)

單次注漿法很難達(dá)到一次補(bǔ)強(qiáng)的目的，所以，依據(jù)陷落柱的作用長度，一次循環(huán)補(bǔ)強(qiáng)的長度為15m，1～5號孔與頂板之間的距離為0.5m，每兩個(gè)鉆孔間距1m；6、7孔距兩幫0.5m，底板1.5m，兩孔之間間隔4m；8、9孔距基板0.3m，距離兩幫0.5m，兩孔之間間隔4m，鉆孔參數(shù)見表2。采用超高水A、B級加固材料，水泥配比0.7∶1，注漿泵的壓力在10～15MPa之間。

表2 爆破參數(shù)

3.2 巷道支護(hù)方案

在施工過程中，通過對支架的參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，采取了支架的方法來進(jìn)行圍巖的控制，從而改善了圍巖的穩(wěn)定性。在距離陷落柱5m 的位置開始應(yīng)用此方案，在出陷落柱5m 的位置，更改為之前的支護(hù)方案，圖5為支護(hù)斷面的截面圖。將頂板錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)間距從1100mm改為1050mm，將錨索從2-0設(shè)置改為3-0設(shè)置，將頂板從金屬網(wǎng)支撐改為鋼網(wǎng)+塑料網(wǎng)復(fù)合支撐。棚梁采用的材料為工字鋼，頂部梁長4500mm，上部立柱長度1400mm，下部立柱長度1600mm，搭接長度100mm，工字形鋼棚間距1000mm。棚體與圍巖間用面板進(jìn)行密封性填充。

圖5 過陷落柱巷道支護(hù)斷面圖(單位:mm)

3.3 施工安全措施

嚴(yán)格遵守集團(tuán)有關(guān)施工安全的有關(guān)規(guī)定。在工作面上設(shè)置4～6個(gè)單體柱子和液罐，用于臨時(shí)前探，儲(chǔ)罐與頂板之間的距離不能大于20m，必須準(zhǔn)備好頂梁、液壓油、三用閥、液槍、液管等，并保證充足的備用量。

在進(jìn)行工程作業(yè)之前，要對工地進(jìn)行“四位一體”的安全檢查。在施工之前，要對現(xiàn)場進(jìn)行一次安全檢驗(yàn)，由負(fù)責(zé)對氣體的質(zhì)量進(jìn)行檢測，當(dāng)氣體的質(zhì)量低于0.8%時(shí)，其它人方可進(jìn)場。在靠近陷落柱的情況下，瓦斯檢驗(yàn)員每小時(shí)至少要探測一次瓦斯?jié)舛?。?dāng)發(fā)生瓦斯噴發(fā)時(shí)，應(yīng)立即停止工作，撤離人員，切斷電源，向施工單位和調(diào)度中心等有關(guān)單位匯報(bào)，并采取相應(yīng)的措施。施工期間，要對工地進(jìn)行“敲幫問頂”的檢查，如果發(fā)現(xiàn)有零皮，首先要用2m長的撬棒把零皮放在安全位置，以保證生產(chǎn)的安全。在進(jìn)行施工時(shí)，工人應(yīng)在安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作，并保障退路的暢通。

在工程建設(shè)中，要有專門的鉆井團(tuán)隊(duì)進(jìn)行鉆井作業(yè)，并嚴(yán)格遵循“有疑必探，先探后掘”的勘探和放水原則。在掘進(jìn)過程中，要了解隧道的施工動(dòng)態(tài)和圍巖的變化，并對所提供的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。在過陷落柱斷裂區(qū)出現(xiàn)異常涌水量時(shí)，應(yīng)采取特殊的處理方法。

在工程施工中，如果有兩個(gè)幫壓力明顯增加，底鼓或裂縫產(chǎn)生，涌水發(fā)生、掛紅掛汗、空氣變冷、產(chǎn)生霧氣、水色變混、水發(fā)澀、氣味難聞等突水預(yù)兆，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并上報(bào)調(diào)度處，同時(shí)立即排查問題來源，緊急時(shí)按照疏散線路撤離。

在施工過程中，應(yīng)隨時(shí)注意巖體的穩(wěn)定性，并及時(shí)掌握陷落柱的出露時(shí)機(jī)。一旦出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即采取措施，防止意外發(fā)生。要嚴(yán)格按照公司的安全要求，在通過特別的區(qū)域之前，安排人員在現(xiàn)場跟蹤處理。對遇到問題的礦井不能處理或不能得到安全保證的，要及時(shí)上報(bào)上級主管部門進(jìn)行處理，提高問題處理等級。

架棚巷道的支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)按照《采礦工程設(shè)計(jì)手冊》的規(guī)范，按圍巖特征、破碎程度、壓力大小、使用年限等基本參數(shù)，科學(xué)合理確定鋼棚材質(zhì)、棚間距、如防倒方式、網(wǎng)片規(guī)格等參數(shù)。

掘進(jìn)巷道通過特殊地段的施工管理?xiàng)l例。施工前需要對施工過程進(jìn)行合理的規(guī)劃，包括進(jìn)度安排、技術(shù)工藝、安全監(jiān)測等。錨桿張拉設(shè)備、錨桿拉拔設(shè)備、錨桿緊固設(shè)備、施工機(jī)械、支護(hù)質(zhì)量檢驗(yàn)設(shè)備等實(shí)行“一用一備”。錨桿(索)張拉機(jī)具必須為“MPa”與“kN”雙顯表頭[2]。

3.4 實(shí)踐效果

在改變了采場的圍巖控制方案后，礦井的施工效率比以往有了很大的提高，每天的進(jìn)深從2m 提高到3m，并對塌陷柱區(qū)段圍巖的變形進(jìn)行了監(jiān)控，持續(xù)30d。在監(jiān)控過程中，煤層的最大沉降是86mm，兩幫偏移的最大值是67mm，而且在塌方柱體的前后部位沒有發(fā)生過顯著的塌陷，煤層的圍巖穩(wěn)定性較高[3]。

4 結(jié)論

根據(jù)晉能控股集團(tuán)49403 工作面皮帶巷的施工情況，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法，探討了掘進(jìn)巷道通過陷落柱的保護(hù)措施和巷道的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。得出了以下的研究成果：

（1）在采煤過程中，煤體的極限承載力常常低于構(gòu)造應(yīng)力，而且在地應(yīng)力場的累加作用下，在陷落柱—巖層交界面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有較多斷裂的塑性破碎區(qū)，所以，在接近陷落柱影響范圍的情況下，必須加強(qiáng)巖層的支撐，并采用相應(yīng)的加固方法來改善其整體性能。

（2）利用預(yù)注漿法對工作面前部的煤體圍巖進(jìn)行了強(qiáng)化，改善了圍巖的整體性，并對陷落柱區(qū)及周圍5m的圍巖采用了優(yōu)化后的支護(hù)方案，改善了圍巖的穩(wěn)定性。