西曲礦18401軌道巷陷落柱局部圍巖控制技術研究

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，由于地下地質條件復雜多變，掘巷時經常會遇到不同的地質構造，如褶曲、斷層、陷落柱等，其中陷落柱又稱巖溶，主要由地下流水長期侵蝕巖石形成小規模溶洞，在經過長期構造應力、覆巖載荷作用下，溶洞坍塌上部巖層陷落，形成不規則圓柱狀體[1，2]。我國華北、西北大多煤礦均存在較為發育的陷落柱，由于陷落柱附近巖體應力及其力學性質極為復雜，極易形成塑性破壞區，當巷道掘進過程中遇到陷落柱時，巷道經常出現大變形現象，且一般的支護結構容易失效，直接影響到礦井的高產高效[3，4]。

近年來，越來越多專家學者聚焦在復雜應力環境下巷道圍巖控制技術的研究中，如張村等[5]根據圍巖變形特征，建立了陷落柱“厚筒壁四區”模型，通過數值模擬、現場測試等手段進行驗證模型的可靠性。結果表明，該模型較好地描述陷落柱圍巖演化特征。宋彥琦等[6]進行了橢圓陷落柱模型圍巖的應力分析，得到了橢圓陷落柱圍巖應力解析解，即截面長軸端部應力值最大，而短軸端部最小。許進鵬等[7]通過薄板理論、極限平衡理論分析了陷落柱形成機理，闡述了陷落柱形成、發展的過程。何富連和張廣超[8]提出了“高強密集支護+新型噴層+滯后注漿”為核心的支護體系，分別從支護密度、噴層結構等角度分析了軟巖巷道圍巖應力演化及變形特征，現場應用提出的支護體系后，圍巖得到良好控制。

地質資料顯示，西曲礦18401工作面所布置的軌道巷附近存在陷落柱構造，若不及時進行陷落柱局部圍巖的加固，現場極有可能出現圍巖大變形情況，影響正常采煤工作，為防止試驗巷道服務期間受陷落柱影響變形嚴重，中斷工作面生產，本文從陷落柱附近巷道圍巖變形特點出發，針對性提出陷落柱局部圍巖控制原則，最終開發形成了西曲礦18401軌道巷陷落柱局部圍巖控制技術，該技術可為陷落柱等構造附近或其他復雜應力環境巷道圍巖控制提供參考，進一步豐富礦山支護領域技術體系。

1 工程背景

18401工作面開采太原組8號煤層，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號煤層節理較為發育，煤體普氏系數2，直接頂為石灰巖（極易形成陷落柱），約2.4 m，基本頂及上覆巖層強度較高，約55~65 MPa，直接底、基本底分別為細砂巖（1.54 m）、粉砂巖（3.13 m），試驗巷道頂底板條件較好，但是巷道附近存在陷落柱等構造（如E1507陷落柱），因此需要對該影響區域附近進行加強支護，試驗巷道斷面尺寸（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

受陷落柱構造的影響，其附近巷道圍巖應力環境極為復雜，圍巖力學性質、變形特征類似于高應力軟巖巷道，其流變現象嚴重，具有應力環境惡劣、圍巖體破碎、自穩困難等特點，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重，因此在巷道掘巷時，若遇到陷落柱等地質構造應及時進行加強支護，同時加強礦壓觀測，必要時采取架棚等措施，避免巷道將由于變形嚴重而中斷服務，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

3.1 控制原則

由于受陷落柱構造影響，附近巷道所處環境特殊，在提出局部圍巖控制技術之前首先提出該類復雜巷道控制原則。

1）圍巖體力學性質強化原則。由于巷道附近圍巖環境惡劣，在充分調查測試圍巖體力學性質的基礎上通過注漿、表面噴層等措施強化圍巖體力學性質，使之能夠形成承載結構。

2）支護結構強主動承載原則。巷道掘出后，提前形成人為進行高強度主動支護，如高預應力錨網索支護，避免巷道圍巖過度變形破壞，誘發巷道整體失穩。

3）圍巖-支護結構協同承載原則。優化支護參數促使圍巖支護-結構一體化，改善支護體與圍巖完整性，形成整體協同承載，約束圍巖碎脹特性。

3.2 控制技術

根據試驗巷道圍巖力學特征、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，開發形成試驗巷道陷落柱局部圍巖控制技術，試驗巷道尺寸4500 mm×3500 mm（寬×高），具體支護技術參數如下。

3.2.1 注漿錨桿提高圍巖體力學性質

頂板及兩幫均采用長度為L 2500 mm的注漿錨桿，間排距1200 mm×1400 mm（配合高預應力錨索交叉分布）。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，靠近左右幫的錨桿均傾斜15°，距幫部450 mm，具體支護參數如圖3所示。注漿材料選用硅酸鹽水泥（425號），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性質。

3.2.2 高預應力錨桿索形成強主動承載結構

頂板和兩幫均采用高預應力錨桿索進行支護，錨桿規格L2200 m×Φ24 mm左旋高強度錨桿，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，鋼筋網采用12號鋼筋編制，規格3700 mm×1000 mm、4700 mm×1000 mm搭接而成，錨桿預緊扭矩不低于300 N·m，錨索預緊力不低于50 MPa，預應力錨桿索施工過程中要保證其預緊力達到要求，從而形成高預應力錨桿索強主動承載結構，實現巷道圍巖的穩定控制。

圖3 局部圍巖控制支護斷面圖（mm）

4 陷落柱局部圍巖控制效果

該技術在西曲礦18401軌道巷陷落柱附近巷道進行了應用，礦壓監測表明技術的適用性，并在該礦進行了推廣應用，效果均反映良好。下頁圖4給出了采用該技術后80 d內的圍巖變形情況。從圖4可以看出，試驗巷道整體圍巖控制效果良好，頂底板圍巖在50 d后達到最大收斂并逐漸穩定，此時頂底位移收斂量約126 mm，兩幫圍巖在45 d后達到最大收斂并逐漸穩定，此時兩幫位移收斂量約95 mm，監測結果一定程度上表明了巷道圍巖的活動規律，即巷道兩幫圍巖首先穩定后，抑制頂板下沉活動，實現巷道圍巖的整體穩定。

圖4 巷道表面位移收斂情況

5 結論

1）分析了陷落柱附近巷道圍巖的特點：應力環境惡劣、圍巖體破碎、自穩困難，提出了陷落柱局部圍巖控制原則：圍巖體力學性質強化原則；支護結構強主動承載原則；圍巖-支護結構協同承載原則，該控制原則適用性強，可應用于類似復雜應力環境、高應力軟巖巷道。

2）基于陷落柱附近巷道圍巖特點的分析及提出的控制原則，開發了西曲礦18401軌道巷陷落柱局部圍巖控制技術：注漿錨桿提高圍巖體力學性質；高預應力錨桿索形成強主動承載結構。西曲礦18401軌道巷進行應用該技術后，巷道圍巖變形得到了有效控制，該巷道在服務期內，頂底板最大位移收斂量約126 mm，兩幫圍巖最大位移收斂量約95 mm，礦壓結果驗證了巷道圍巖的活動規律，即巷道兩幫圍巖首先穩定后，抑制頂板下沉活動，實現巷道圍巖的整體穩定。同時該技術推廣應用于該礦類似條件下巷道圍巖控制，具有較強的推廣應用價值。