回坡底煤礦陷落柱影響區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)

張 巖

（霍州煤電集團(tuán)安全管理部，山西 霍州 031400）

1 工程概況

回坡底煤礦11-104 工作面位于11#煤層?xùn)|一采區(qū)，11#煤層平均厚度3.2 m，傾角1°～5°，煤層節(jié)理較為發(fā)育，含2～3 層穩(wěn)定夾矸。煤層底板含鋁泥巖厚2～3 m，平均厚度2.5 m，普氏硬度2～3；頂板為泥巖，厚度2.90～4.00 m，平均厚度3.5 m，中夾0.3 m 的煤線，普氏硬度4～6；泥巖以上的粉砂巖厚度2.2～2.8 m，平均厚度2.6 m，普氏硬度6～10。

11-1042 巷為11-104 工作面的回采巷道，沿11#煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長度1304 m，為矩形斷面，寬度4800 mm，高度3300 mm。三維地質(zhì)勘探顯示，11-1042 巷在掘進(jìn)面前方存在DX212 陷落柱，該陷落柱為背斜褶曲，其長袖約為70 m，短袖約為60 m，陷落角約為65°，預(yù)計(jì)其影響煤層的破碎帶寬度超過100 m。因此，為保證11-1042 巷順利通過陷落柱破碎帶，需對(duì)陷落柱周圍的應(yīng)力分布及巷道圍巖的控制技術(shù)展開研究[1-4]。

2 陷落柱力學(xué)分析

2.1 陷落柱形成機(jī)理

巖層在較大水平地應(yīng)力的擠壓作用下會(huì)形成褶曲，其形式分別為背斜和向斜，如圖1。背斜構(gòu)造軸部上凸，頂端巖層處于張拉狀態(tài)，底部巖層處于擠壓狀態(tài)；向斜構(gòu)造軸部下凹，其頂端巖層處于擠壓狀態(tài)，底部巖層處于張拉狀態(tài)。

圖1 背斜、向斜受力

地下巖層中存在較多的巖溶構(gòu)造，在地下水反復(fù)沖刷下，巖溶內(nèi)部逐漸形成空洞，隨后在水平地應(yīng)力及巖層自重的作用下，巖溶空洞內(nèi)部的巖體發(fā)生坍塌，如此形成了陷落柱的初始形態(tài)。巖溶內(nèi)部垮落后，應(yīng)力開始重新分布，由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，如圖2，在向斜構(gòu)造中，底部巖層受張力作用形成張性裂隙，裂隙的數(shù)量及張開度由下往上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在巖層自重的作用下，向斜軸部的破碎帶呈下大上小的倒楔形。在背斜構(gòu)造中，溶洞在其軸部形成后，背斜頂部巖層在重力作用下發(fā)生塌落，并形成卸壓空間，隨后在張力作用下形成張性裂隙，下部巖層受擠壓作用裂隙相對(duì)較少，最終形成上大下小的正楔形破碎帶。

圖2 陷落柱塌陷輪廓

陷落柱初始條件形成后，暴露在自由空間的巖體所受的摩擦力較小，在重力作用下垮落，溶洞的空間逐漸增大。在垂直方向上，地下水的沖蝕使得裂隙帶的空隙增大，陷落柱逐漸下移，而水平方向上的作用力使得陷落柱的陷落角逐漸增大，同時(shí)，空洞內(nèi)部的負(fù)壓會(huì)進(jìn)一步加劇巖溶陷落柱的發(fā)育。

2.2 陷落柱周圍應(yīng)力分析

（1）建立模型

為分析陷落柱周圍的應(yīng)力分布情況，為圍巖控制方案提供依據(jù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依據(jù)11-1042 巷的實(shí)際賦存條件建立模型，模型尺寸為長×寬×高=100 m×100 m×100 m，其中，陷落柱的邊角與水平方向的夾角為65°。根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加9.1 MPa 的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對(duì)模型四周和底部進(jìn)行約束。為使模擬結(jié)果準(zhǔn)確度更高，計(jì)算時(shí)，陷落柱內(nèi)采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，其余煤巖體的破壞準(zhǔn)則統(tǒng)一采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)按表1 進(jìn)行賦參。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

（2）應(yīng)力分布情況

圖3 為DX212 陷落柱周圍的垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力分布云圖。由圖3（a）可知，陷落柱周圍的垂直應(yīng)力隨著埋深的增加而增大，整體應(yīng)力值較高，由于是背斜構(gòu)造，陷落柱為正楔形，外圍巖體會(huì)產(chǎn)生下滑阻力，因此在陷落柱邊界存在應(yīng)力集中帶，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避開應(yīng)力集中區(qū)域，而現(xiàn)場很難探測出柱體的準(zhǔn)確發(fā)育情況，需加大前期的地質(zhì)勘察，為安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

由圖3（b）可知，模型的水平應(yīng)力也隨著埋深的增加而增大，在同一水平上，陷落柱內(nèi)部的水平應(yīng)力明顯低于外圍巖體，因此巷道從外圍巖體穿過陷落柱時(shí)的水平應(yīng)力落差較大，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性存在較大的影響，需進(jìn)行防倒處理。柱體邊界處的煤層在水平應(yīng)力差的影響下較為破碎，該區(qū)域容易形成應(yīng)力集中，對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響較大。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

3 巷道過陷落柱圍巖控制方案

3.1 控制思路

11-104 工作面整體處于背斜褶曲內(nèi)，DX212 陷落柱在垂直方向上的輪廓也為正楔形。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道在陷落柱附近的圍巖應(yīng)力集中，且煤層及巖體松軟破碎，為此，需采取首先改善圍巖的完整性，再加大支護(hù)強(qiáng)度的思路。可從兩個(gè)方面入手改善圍巖的完整性，一方面增大破碎巖體的黏聚力和摩擦角，使其相互緊密連接，提高抗剪強(qiáng)度；另一方面加大支護(hù)強(qiáng)度，保證深部圍巖的承載性能不受影響。

3.2 初期支護(hù)

根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，煤層在陷落柱邊界兩側(cè)的應(yīng)力差較大，過陷落柱前的最大垂直應(yīng)力達(dá)到了18 MPa，而剛過陷落柱后的應(yīng)力值為12 MPa，巷道通過時(shí)的變形量較大。因此，在距陷落柱邊界15 m 的破碎發(fā)育起始段，加大巷道支護(hù)密度及支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)架梯形棚通過應(yīng)力變化區(qū)。

頂錨桿的規(guī)格為Φ22 mm×2600 mm 高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為880 mm×1000 mm，每排6 根，肩窩處兩根錨桿與垂線呈10°夾角。錨桿錨固長度為1200 mm，采用2 支快速錨固劑，錨桿預(yù)緊力矩不小于300 N·m。頂部加掛雙層金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表支護(hù)，網(wǎng)孔規(guī)格35 mm×35 mm，網(wǎng)片搭接不小于100 mm。

頂錨索采用直徑17.2 mm、長度6300 mm 的鋼絞線，錨固長度為1900 mm，采用3 支錨固劑，每排布置2 根，間排距為2000 mm×2000 mm。

巷幫支護(hù)錨桿的規(guī)格與頂錨桿一致，間排距為1200 mm×1000 mm。靠近頂?shù)装邋^桿施工角度與水平成10°夾角，其余錨桿施工角度均與巷幫垂直。具體支護(hù)方案如圖4。

圖4 初期支護(hù)斷面圖（mm）

架棚支護(hù)斷面圖如圖5。采用4300 mm 長的12號(hào)工字鋼梁作為頂梁，采用U-25 型鋼作為棚腿，分為上下兩節(jié)，兩節(jié)棚腿間采用卡纜固定。梯形棚排距為1200 mm，棚腿下挖設(shè)的柱窩深度為200 mm，棚腿距巷幫400 mm。

圖5 架棚支護(hù)圖（mm）

3.3 中期注漿

為進(jìn)一步保證圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，待巷道圍巖變形釋放了部分應(yīng)力后，對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件確定注漿滯后時(shí)間為20 d。采用雙液注漿材料，2 種漿液混合后的凝結(jié)時(shí)間較短，且強(qiáng)度可達(dá)到7～14 MPa。

采用深淺孔配合注漿工藝，深孔布置在巷道的四角，孔深6 m，頂角孔向上仰斜45°，底角孔下扎45°，注漿壓力為2～3 MPa，加固強(qiáng)化深部圍巖；淺孔布置在頂板及兩幫的中部，孔深2 m，均垂直施工，注漿壓力為5～7 MPa，提高淺部圍巖的完整性。

4 控制效果分析

為觀測分析控制方案對(duì)11-1042 巷陷落柱附近圍巖的控制效果，在補(bǔ)強(qiáng)段布置觀測點(diǎn)，對(duì)圍巖表面的位移進(jìn)行觀測。

現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，采用“注漿+聯(lián)合支護(hù)”方案后，11-1042 巷過陷落柱時(shí)，頂板的最大下沉量為92 mm，兩幫的最大移進(jìn)量為85 mm，最大底鼓量為70 mm，圍巖變形量小，滿足工作面生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

（1）褶曲構(gòu)造內(nèi)，背斜頂端巖層處于張拉狀態(tài)，底部巖層處于擠壓狀態(tài)，形成上大下小的正楔形破碎帶，而向斜破碎帶為倒楔形。

（2）通過數(shù)值模擬得出，巷道從外圍巖體穿過陷落柱時(shí)的應(yīng)力落差較大，且應(yīng)力集中明顯，對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性影響較大。

（3）基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件提出了“注漿+聯(lián)合支護(hù)”的控制方案。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，該控制方案有效改善了巷道的穩(wěn)定性，滿足正常生產(chǎn)需求。