掘進巷道過陷落柱頂板控制技術

李海慶

（陽泉市上社二景煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045100）

陷落柱是煤礦采掘工作面常見的地質構造之一，陷落柱侵入后不僅破壞了原煤巖體整體穩定結構，造成陷落柱附近煤體硅化現象，而且陷落柱內巖體成雜亂無章的不規則結構，在回采、掘進時圍巖破碎嚴重、頂板控制難度大。傳統采掘工作面過陷落柱主要采用錨桿（索）、錨棚等常規技術措施進行圍巖控制，不僅支護難度大、支護效率低，而且支護效果差，很難達到有效控制目的，容易發生圍巖垮落事故，不利于采掘工作面安全施工，所以采掘工作面在過陷落柱時必須采取合理有效的圍巖控制技術[1-5]。

1 概況

陽泉市上社二景煤炭有限責任公司15108 運輸巷位于Ⅰ采區，北部為礦界，南部為15108 瓦斯治理巷，西部為采區大巷，東為礦界。15108 運輸巷設計長度為1220 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為15#層，平均厚度為4.8 m，主要以半亮煤型為主，少量為光亮型或暗淡型，夾有鏡煤條帶和少量絲碳，煤層含有黃鐵礦結核。15#煤層頂底板巖性見表1。

表1 15#煤層頂底板巖性匯總表

15108 運輸巷采用機械化掘進工藝，已掘進640 m。巷道掘進至637 m 處揭露X6 陷落柱，根據鉆探資料發現，該陷落柱柱高為7.5 m，陷落柱柱體投影成橢圓狀，長軸長度為42 m，短軸長度為24 m，其中短軸與巷道夾角為79°，陷落柱對巷道掘進影響長度為38 m。陷落柱腔體內主要以砂質泥巖、K2 灰巖以及砂巖為主，巖體無固定穩定層，巖體雜亂無章。

2 巷道掘進現狀及問題分析

2.1 巷道掘進現狀

15108 運輸順槽掘進至630 m 處時受陷落柱影響，巷道頂板開始出現破碎現象。隨著巷道延伸，巷道受應力破壞作用加大。當巷道掘進至637 m 揭露X4 斷層時，頂板出現大面積破碎現象，采用傳統支護難度加大，巷道掘進效率降低至4.1 m/s。當巷道掘進至640 m 處時頂板出現第一次冒漏，冒漏高度達1.4 m，冒漏寬度為2.7 m，原頂板支護無法滿足施工需求。

2.2 巷道原支護設計

15108 運輸順槽在揭露X6 陷落柱前巷道圍巖主要采用錨桿、錨索、鋼帶聯合支護，具體支護設計如下：

（1）頂板錨桿為長度2.4 m、直徑22 mm 鋼錨桿，每排布置5 根，錨桿間排距為1.0 m，錨桿外露端安裝長度為4.2 m、寬度為0.15 m 的W 型鋼帶。

（2）頂板每排布置3 根長度為6.5 m、直徑為17.8 mm 錨索，錨索間距1.6 m，排距3.0 m，錨索獨立布置，錨索外露端安裝長度及寬度均為0.3 m中部拱形鋼托板。

（3）巷幫采用錨桿支護，每排布置3 根，間排距為1.0 m，錨桿外露端安裝W 型小鋼帶。

2.3 原支護設計問題分析

（1）由于陷落柱腔體內巖體穩定性差，而且陷落柱覆蓋整巷道斷面，導致其影響區巷道掘進時巷幫及頂板破碎嚴重。采用錨桿支護時，不僅支護孔施工難度大，而且錨固效果差，錨固力不足80 kN。

（2）巷道原支護設計頂板每排布置5 根錨桿，錨桿與兩幫間距為0.25 m，巷幫每排布置3 根，最上一排錨桿距頂板間距0.5 m，而巷道頂板與巷幫之間的三角煤柱未采取任何支護措施，巷道掘進時受構造應力、掘進應力等影響，三角煤柱受應力破壞出現垮落現象，從而降低了巷幫煤柱支撐作用強度，造成頂板失穩。

（3）15108 運輸順槽支護設計中頂板主要采用W 型鋼帶，鋼帶最大承載能力為155 kN，抗剪能力差且易變形。而巷道揭露陷落柱影響區后巷道圍巖受應力破壞嚴重，由于頂板無穩定結構，頂板承載能力低，巷道掘進支護后頂板出現嚴重塑性變形現象，頂板最大下沉量達0.44 m。在頂板下沉過程中對W 型鋼帶產生應力剪切破壞作用，鋼帶變形、斷裂現象嚴重。同時，W 型鋼帶支護截面積小，無法對頂板起到預期托錨支護作用。

3 陷落柱影響區圍巖聯合控制技術

3.1 帷幕注漿技術

（1）注漿加固主要目的是對巷道圍巖不穩定巖層進行二次重組，提高圍巖整體穩定性，從而避免巷道掘進時受應力作用圍巖出現破壞，從而保證巷道成型率以及提高巷道支護質量。

（2）15108 運輸順槽采取全斷面注漿施工，兩幫及頂板同時注漿，巷道輪廓圍巖形成帷幕注漿圈，從而提高巷道圍巖穩定性。巷道兩幫及頂板各施工3 個注漿鉆孔，幫部鉆孔編號為B1-1、B1-2、B1-3（左幫鉆孔），B2-1、B2-2、B2-3（右幫鉆孔）；頂板鉆孔編號為D1、D2、D3。

（3）所有鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm。其中幫部鉆孔布置間距為1.0 m，鉆孔施工在距巷道輪廓0.5 m 處，鉆孔與巷幫水平夾角為45°，頂部鉆孔B1-1、B2-1 仰角為20°，底部鉆孔B1-3、B2-3 俯角為20°，中部鉆孔B1-2、B2-2 垂直角為0°；頂板鉆孔間距2.0 m，鉆孔布置在距頂板1.2 m 煤壁上，鉆孔仰角為45°，兩幫鉆孔（D1、D3）與巷幫夾角為30°。

（4）鉆孔施工完后，用注漿泵對鉆孔進行注漿。注漿選用聚氨酯化學粘接材料，具有凝固速度快、滲透能力強等優點，注漿順序為先頂部后幫部，注漿壓力由小到大，注漿最終壓力控制在1.5 MPa。

3.2 桁架錨桿支護

為了降低巷幫煤柱受應力破壞出現片幫、垮落現象，提高三角煤柱區域穩定性，在原巷道支護設計的基礎上對巷道與頂板間三角煤柱施工桁架錨桿支護。

（1）15108 運輸順槽掘進至637 m 時，對巷幫施工桁架錨桿支護。桁架支護主要由兩根長3.0 m、直徑為25 mm 高強度預應力螺紋鋼錨桿、兩根長度為1.0 m 圓鋼托架以及一個張拉器等部分組成。

（2）桁架錨桿施工在距頂板0.3 m 處巷幫上，錨桿鉆孔深度為3.0 m，鉆孔與巷幫水平夾角為75°，兩個錨桿鉆孔對稱布置，布置間距為1.5 m。

（3）桁架錨桿支護孔施工完后，對鉆孔內安裝錨桿并進行錨固，然后在錨桿外露端安裝兩根圓鋼托架，并采用張拉器進行預緊。桁架錨桿支護布置間距為1.0 m。

3.3 多筋梯形梁支護

（1）為了提高頂板支護效果，原頂板錨桿采用的W 型鋼帶更換為JW 型鋼帶。JW 型鋼帶長度為4.5 m，寬度為0.32 m，鋼帶上均勻布置五個支護鉆孔，孔間距為1.1 m。為了解決傳統鋼帶在使用過程中受錨應力作用，鋼帶支護孔出現撕裂現象，JW 型鋼帶支護孔焊接一塊長度及寬度為0.3 m 的高錳鋼托盤。

（2）將原頂板單錨索支護優化改為多筋梯形梁支護，支護主要由三根長為8.3 m、直徑21.8 mm 錨索以及一架梯形梁組成。其中梯形梁長度為4.2 m，寬度為0.5 m，梯形梁主要由6 根長為4.2 m、直徑為22 mm 圓鋼，3 塊長度為0.5 m、寬度為0.32 m“JW”型鋼帶以及4 組夾板組成，如圖1。

圖1 15108 運輸順槽過陷落柱區圍巖聯合支護示意圖

（3）多筋梯形梁支護施工在鋼帶之間頂板上，布置排距為2.0 m，施工工序為：錨索支護孔施工→安裝錨索→安裝多筋梯形梁并進行預緊。

3.4 實際應用效果分析

2020 年4 月26 日，15108 運輸順槽按照優化支護方案已完全通過陷落柱影響區，巷道圍巖未出現嚴重變形、破碎現象，頂板最大下沉量為0.11 m，巷幫三角煤柱破碎、垮落現象得到了有效控制，圍巖支護失效率控制在2%以下，巷道掘進效率提高至6.7 m/d，取得了顯著應用成效。

4 結論

（1）對陷落柱區巷道圍巖施工帷幕注漿支護，使巷道輪廓圍巖形成一個連續穩定的加固層，既提高了巷道圍巖整體穩定性，又保證了錨桿（索）支護在帷幕注漿圈內錨固效果。

（2）通過對巷道三角煤柱區施工桁架錨桿支護，削弱了構造應力對三角區的破壞作用，阻止了三角煤柱垮落，提高了煤柱對頂板支撐作用力，解決了因三角煤柱垮落導致巷道成型效果差、頂板失穩現象嚴重等難題。

（3）對巷道頂板錨桿（索）采用多筋梯形梁支護，與傳統單錨桿、錨索支護相比，具有支護截面大、支護強度高等優點，用于大應力、大變形圍巖中，解決傳統支護強度低、支護失效嚴重等難題。