李海慶

（陽(yáng)泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045100）

陷落柱是煤礦采掘工作面常見的地質(zhì)構(gòu)造之一，陷落柱侵入后不僅破壞了原煤巖體整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，造成陷落柱附近煤體硅化現(xiàn)象，而且陷落柱內(nèi)巖體成雜亂無(wú)章的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在回采、掘進(jìn)時(shí)圍巖破碎嚴(yán)重、頂板控制難度大。傳統(tǒng)采掘工作面過(guò)陷落柱主要采用錨桿（索）、錨棚等常規(guī)技術(shù)措施進(jìn)行圍巖控制，不僅支護(hù)難度大、支護(hù)效率低，而且支護(hù)效果差，很難達(dá)到有效控制目的，容易發(fā)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(guò)陷落柱時(shí)必須采取合理有效的圍巖控制技術(shù)[1-5]。

1 概況

陽(yáng)泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司15108 運(yùn)輸巷位于Ⅰ采區(qū)，北部為礦界，南部為15108 瓦斯治理巷，西部為采區(qū)大巷，東為礦界。15108 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1220 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)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(jié)核。15#煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 15#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

15108 運(yùn)輸巷采用機(jī)械化掘進(jìn)工藝，已掘進(jìn)640 m。巷道掘進(jìn)至637 m 處揭露X6 陷落柱，根據(jù)鉆探資料發(fā)現(xiàn)，該陷落柱柱高為7.5 m，陷落柱柱體投影成橢圓狀，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為42 m，短軸長(zhǎng)度為24 m，其中短軸與巷道夾角為79°，陷落柱對(duì)巷道掘進(jìn)影響長(zhǎng)度為38 m。陷落柱腔體內(nèi)主要以砂質(zhì)泥巖、K2 灰?guī)r以及砂巖為主，巖體無(wú)固定穩(wěn)定層，巖體雜亂無(wú)章。

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

2.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

15108 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至630 m 處時(shí)受陷落柱影響，巷道頂板開始出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。隨著巷道延伸，巷道受應(yīng)力破壞作用加大。當(dāng)巷道掘進(jìn)至637 m 揭露X4 斷層時(shí)，頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)支護(hù)難度加大，巷道掘進(jìn)效率降低至4.1 m/s。當(dāng)巷道掘進(jìn)至640 m 處時(shí)頂板出現(xiàn)第一次冒漏，冒漏高度達(dá)1.4 m，冒漏寬度為2.7 m，原頂板支護(hù)無(wú)法滿足施工需求。

2.2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

15108 運(yùn)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(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)設(shè)計(jì)如下：

（1）頂板錨桿為長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dú)立布置，錨索外露端安裝長(zhǎng)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(hù)，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(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

（1）由于陷落柱腔體內(nèi)巖體穩(wěn)定性差，而且陷落柱覆蓋整巷道斷面，導(dǎo)致其影響區(qū)巷道掘進(jìn)時(shí)巷幫及頂板破碎嚴(yán)重。采用錨桿支護(hù)時(shí)，不僅支護(hù)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(hù)設(shè)計(jì)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(hù)措施，巷道掘進(jìn)時(shí)受構(gòu)造應(yīng)力、掘進(jìn)應(yīng)力等影響，三角煤柱受應(yīng)力破壞出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，從而降低了巷幫煤柱支撐作用強(qiáng)度，造成頂板失穩(wěn)。

（3）15108 運(yùn)輸順槽支護(hù)設(shè)計(jì)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(qū)后巷道圍巖受應(yīng)力破壞嚴(yán)重，由于頂板無(wú)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，頂板承載能力低，巷道掘進(jìn)支護(hù)后頂板出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形現(xiàn)象，頂板最大下沉量達(dá)0.44 m。在頂板下沉過(guò)程中對(duì)W 型鋼帶產(chǎn)生應(yīng)力剪切破壞作用，鋼帶變形、斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重。同時(shí)，W 型鋼帶支護(hù)截面積小，無(wú)法對(duì)頂板起到預(yù)期托錨支護(hù)作用。

3 陷落柱影響區(qū)圍巖聯(lián)合控制技術(shù)

3.1 帷幕注漿技術(shù)

（1）注漿加固主要目的是對(duì)巷道圍巖不穩(wěn)定巖層進(jìn)行二次重組，提高圍巖整體穩(wěn)定性，從而避免巷道掘進(jìn)時(shí)受應(yīng)力作用圍巖出現(xiàn)破壞，從而保證巷道成型率以及提高巷道支護(hù)質(zhì)量。

（2）15108 運(yùn)輸順槽采取全斷面注漿施工，兩幫及頂板同時(shí)注漿，巷道輪廓圍巖形成帷幕注漿圈，從而提高巷道圍巖穩(wěn)定性。巷道兩幫及頂板各施工3 個(gè)注漿鉆孔，幫部鉆孔編號(hào)為B1-1、B1-2、B1-3（左幫鉆孔），B2-1、B2-2、B2-3（右?guī)豌@孔）；頂板鉆孔編號(hào)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(duì)鉆孔進(jìn)行注漿。注漿選用聚氨酯化學(xué)粘接材料，具有凝固速度快、滲透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，注漿順序?yàn)橄软敳亢髱筒?，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(hù)

為了降低巷幫煤柱受應(yīng)力破壞出現(xiàn)片幫、垮落現(xiàn)象，提高三角煤柱區(qū)域穩(wěn)定性，在原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)巷道與頂板間三角煤柱施工桁架錨桿支護(hù)。

（1）15108 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至637 m 時(shí)，對(duì)巷幫施工桁架錨桿支護(hù)。桁架支護(hù)主要由兩根長(zhǎng)3.0 m、直徑為25 mm 高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力螺紋鋼錨桿、兩根長(zhǎng)度為1.0 m 圓鋼托架以及一個(gè)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(gè)錨桿鉆孔對(duì)稱布置，布置間距為1.5 m。

（3）桁架錨桿支護(hù)孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝錨桿并進(jìn)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(jìn)行預(yù)緊。桁架錨桿支護(hù)布置間距為1.0 m。

3.3 多筋梯形梁支護(hù)

（1）為了提高頂板支護(hù)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(zhǎng)度為4.5 m，寬度為0.32 m，鋼帶上均勻布置五個(gè)支護(hù)鉆孔，孔間距為1.1 m。為了解決傳統(tǒng)鋼帶在使用過(guò)程中受錨應(yīng)力作用，鋼帶支護(hù)孔出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，JW 型鋼帶支護(hù)孔焊接一塊長(zhǎng)度及寬度為0.3 m 的高錳鋼托盤。

（2）將原頂板單錨索支護(hù)優(yōu)化改為多筋梯形梁支護(hù)，支護(hù)主要由三根長(zhǎng)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(zhǎng)度為4.2 m，寬度為0.5 m，梯形梁主要由6 根長(zhǎng)為4.2 m、直徑為22 mm 圓鋼，3 塊長(zhǎng)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(yùn)輸順槽過(guò)陷落柱區(qū)圍巖聯(lián)合支護(hù)示意圖

（3）多筋梯形梁支護(hù)施工在鋼帶之間頂板上，布置排距為2.0 m，施工工序?yàn)椋哄^索支護(hù)孔施工→安裝錨索→安裝多筋梯形梁并進(jìn)行預(yù)緊。

3.4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

2020 年4 月26 日，15108 運(yùn)輸順槽按照優(yōu)化支護(hù)方案已完全通過(guò)陷落柱影響區(qū)，巷道圍巖未出現(xiàn)嚴(yán)重變形、破碎現(xiàn)象，頂板最大下沉量為0.11 m，巷幫三角煤柱破碎、垮落現(xiàn)象得到了有效控制，圍巖支護(hù)失效率控制在2%以下，巷道掘進(jìn)效率提高至6.7 m/d，取得了顯著應(yīng)用成效。

4 結(jié)論

（1）對(duì)陷落柱區(qū)巷道圍巖施工帷幕注漿支護(hù)，使巷道輪廓圍巖形成一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的加固層，既提高了巷道圍巖整體穩(wěn)定性，又保證了錨桿（索）支護(hù)在帷幕注漿圈內(nèi)錨固效果。

（2）通過(guò)對(duì)巷道三角煤柱區(qū)施工桁架錨桿支護(hù)，削弱了構(gòu)造應(yīng)力對(duì)三角區(qū)的破壞作用，阻止了三角煤柱垮落，提高了煤柱對(duì)頂板支撐作用力，解決了因三角煤柱垮落導(dǎo)致巷道成型效果差、頂板失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重等難題。

（3）對(duì)巷道頂板錨桿（索）采用多筋梯形梁支護(hù)，與傳統(tǒng)單錨桿、錨索支護(hù)相比，具有支護(hù)截面大、支護(hù)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，用于大應(yīng)力、大變形圍巖中，解決傳統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)失效嚴(yán)重等難題。