采掘工作面遇巖溶陷落柱的安全開采技術

吳俊生

(山西陽煤景福煤業有限公司，山西 壽陽 045400)

0 引言

“陷落柱”經常發生在堅硬的不可溶性的巖層中，其形成實質是古老的巖層在發展的過程中，由于受到外力或自身的原因導致坍塌所形成的特殊的地質狀態。在煤炭開采階段，陷落柱是煤層的巖溶基石發生坍塌的結果，這類地質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，在長年累積的過程中，形成直徑較大、高度較大的柱體，有的范圍超過百米，以鋸齒狀為主要坍塌狀態，切割煤層，對煤炭開采造成困難。研究采煤工作面過陷落柱構造具有一定的現實意義。

1 巖溶陷落柱特點

1.1 地表特征

在巖溶柱發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。山西某礦區的的道路兩旁的地形級就有顯著巖溶柱坍塌的特點，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對形狀進行描述。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考慮問題，其主要表現是沿著中心軸的部分剖開整個陷落柱從而呈現的形態。剖面的形狀則是由巖體結構來決定，例如，如果是含水的軟巖則剖面大多呈現漏斗形；如果是不容易坍塌的堅巖層，剖面則會呈現出錐形，如圖1所示。而陷落柱的高度同樣是縱向考慮的關鍵。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、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，但如果地理條件特殊和巖層特性穩定，陷落柱則會高達幾百米。最后一個需要考慮的維度是中心軸。中心軸和其他的維度參數考慮的不同，它是將所有平面的中心位置進行點線連接。通常情況下，中心軸的位置以垂直于巖層面的方式貫穿，按照理論來講，中心軸則會呈現垂直的狀態，但實際因受到各個巖層形狀面的不同而出現傾斜，甚至扭曲的狀態。而在進行采掘的過程中，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度。

圖1 陷落柱的形態特征

2 巖溶陷落柱對煤礦生產造成的影響

由于煤層含有煤氣層，在地下開采的過程中，往往會先開采煤氣或排放煤層氣，以降低地下開采工程的危險度。如果忽視了陷落柱坍塌的問題，就有可能增加礦井的危險指數。在巖溶陷落柱形成階段，所產生的氣體大多數是通過通天柱向外排放，因此，煤礦的淺層較為安全。而在煤層底層則通過半截柱確保煤氣不會影響到井下作業，甚至會隨著深層的地下水排到境外，從而大幅度提高作業的安全性。當然，一般在煤炭開采階段，多以淺層挖掘為主，這就讓迫使煤氣和水進行頻繁的交替。與此同時，水和煤氣交替形成甲烷，而甲烷又和氧氣發生反應，從而形成氮氣和二氧化碳。這對于煤炭開采構成一種潛在的威脅。

陷落柱周圍的含水度提高，會使煤炭的氧化速率變快，而如果不加以阻止，類似的化學反應將會對煤炭的質量形成嚴重影響。

陷落柱的坍塌將會對煤炭的儲存空間形成嚴重的影響。例如，陷落柱發生坍塌，而塌陷的部分將會有其他的巖層或雜質進行填充，從而影響了煤炭的存儲空間，導致煤炭地儲存含量大幅度下降。

如果在進行煤炭開采的初級階段就發生了陷落柱坍塌情況，必將會對煤炭地質勘探、進一步開采造成重大不便，甚至會重新選擇鑿井地點，重新開采，這對資本形成巨大的浪費。

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

巖溶陷落柱可以使煤層中的含水度增加，從而讓煤層氣透過陷落柱進行消散。

3 陷落柱區域的支護方法

在煤礦開采過程中，對巖溶陷落柱的支護方法進行探究是極為重要的問題。其大致包含4點要求。

3.1 陷落柱頂塔搭建中注重錨桿和錨索的可錨性

為了預防陷落柱發生坍塌事故，則需要對主體的頂端進行填充。一般而言，填充物由砂巖或者泥巖組成，但待陷落柱膠結后卻發現，整個效果卻并不理想，再加上，陷落柱周圍地質問題嚴重，會有較多的斷層或者縫隙，如果不多加注重，則會對整個煤層形成嚴重威脅，故而發生傾斜的可能。與此同時，陷落柱還會讓煤層中的水含量增加，這將會給頂塔的建造形成嚴重的影響。因此，為了確保煤炭掘進工作的有序進行，務必要注重錨桿和錨索的可錨性，特別是在進行陷落柱頂塔搭建的過程中，確保錨桿和錨索在進行錨固狀態時，每掘進3 m，使用的錨固設備都要符合固力測試，以規范化操作來實現對頂塔的搭建錨固操作。一旦發現，巷道內頂塔沒有可錨性，則就需要重新制定錨固方案，選擇具有可錨性的地方進行搭建。

3.2 小錨索間距能夠加強支護作用

錨桿是錨索進行固定的基礎，只有將錨桿通過孔壁與錨索粘連固定后，再將通過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。但對于陷落柱而言，頂塔在搭建的過程中，錨桿的深度達不到此標準，因此會通過使用錨索來將頂板進行牢固作業。這樣就對錨桿實現較強的牢固力，同時也增加了錨索的預緊力，減少頂板的承重力。當然，為了提高巖層之間的穩定性，在對錨索固定的時候，可通過調節間距來完成。例如，當間距縮小到某個距離的時候，即使由于次生承載層因不穩定導致斷裂的情況出現，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

為了能夠加強支護措施，應沿著頂板下沉作用力的方向將采高的位置進行降低，但在降低的過程中千萬不能對頂板的巖層造成破壞，以免發生崩塌的危險。而如果頂板下沉情況嚴重或已經斷裂，這就會對整個陷落柱邊沿區域形成冒頂事故，因此，為了提高安全性，應加大加強陷落柱區域的支護措施，對頂板進行及時有效的支護。再者，針對陷落柱的填充物有著嚴格的要求，并對填充的過程實行嚴格監督。而當對巖層實行巷道掘進的過程中，一般會采取噴漿封閉的措施和對頂板進行注漿填充，并膠結陷落柱內的頂板。這是由陷落柱所處地理環境和陷落柱本身地質條件決定的，目的是防止周圍巖層出現風化導致錨桿和錨索的固定失效，對工程形成重大的威脅。

4 結語

陷落柱在巖層發展過程中會對煤礦的儲煤環境形成一定的影響，甚至會對煤礦采掘工作和生產效益造成影響。通過對巖溶陷落柱特點進行研究，掌握并了解陷落柱形成過程，從而對陷落柱采取相應的支護措施，這對煤炭開采極為重要，隨著該技術不斷提高，必將為煤礦開采安全作業提供便利條件。