U型棚在掘进巷道过陷落柱的创新与实践

张旭东

摘要：在矿井生产过程中，遇到陷落柱对工作面及巷道掘进安全和高效的生产有较大的影响。本文通过对陷落柱定义及其特征分析，综合判断其对巷道掘进的影响。同时通过晋煤成庄矿5103巷现场生产条件，提出架设U型棚支护的设计方案，并通过现场实施观测，验证该支护设计的合理性。

关键词：陷落柱巷道掘进U型棚支护

1 岩溶陷落柱

1.1 岩溶陷落柱形成过程分析 陷落柱是岩溶陷落柱的简称。根据地质出版社1986年出版的《地质辞典》所下的定义陷落柱是煤田地区因下伏的石灰岩层岩溶发育，在重力作用下，上覆岩层（包括煤系地层）呈柱状或圆锥状陷落形成的地质体的专称。因有些柱体四周围岩略受牵引，岩层向柱中心倾斜，故又称环状陷落。在煤矿生产中遇到这种柱体，煤层突然中断，被杂乱无章的碎石所替代，故又称无炭柱。其形成过程如图1所示。

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1.2 岩溶陷落柱特征分析 根据大量实际观测总结，得出该地区岩溶陷落柱的一般特征：①地貌上陷落区的形状一般为椭圆形或者是扁圆形的陷落盆地。外围的岩层产状正常而连续，盆地中常常被不同地层的岩煤的碎块填充，无层序，混乱堆积。②陷落柱的总体形态一般是上小下大的不规则椎形，个别地方也有上下一样的圆柱状。它们在水平切面上多呈椭圆和扁圆形，直径大小不一。③陷落柱的岩石棱角分明，形状不规则，排列紊乱，大小混杂，为粘土充填粘结。如在某一层位观察陷落柱的岩块特征，可以发现它们都是来自同一层位上的各个岩层和煤层。④陷落柱与围岩的接触界面多呈现出不规则的锯齿状，界线明显，接触面的角度是上大下小，一般在50°~85°度之间，75°最常见，接触处的围岩产状基本正常，接触带的煤层以及顶底板一般无牵连现象，接近陷落柱3~5米时，岩层裂隙发育，煤层十分破碎，有时可以见到落差不大的小正断层，断层的走向与柱体相切，倾向柱体。在陷落区的边缘地带有的柱内干燥无水，如峰峰煤矿，有的有淋水头和小细流，如阳泉煤矿。瓦斯的涌出量增大，比正常的区域要高出2~3倍。⑤陷落柱锥形体的中心轴与岩层层面近似垂直。因此，在倾斜岩层里陷落柱也发生歪斜，在水平的投影图上，各煤层的陷落柱范围并不是完全地重叠。

1.3 陷落柱对巷道掘进的影响 根据陷落柱形成过程及特征分析，陷落柱内顶板充填物为泥岩、砂岩等，且胶结情况差，陷落柱内岩层风化破碎严重，在巷道掘进通过陷落柱时，围岩破碎，稳定性差。同时陷落柱附近可能有隐伏小断层、裂隙、牵引褶曲、煤层倾角变大等地质构造，在支护不合理时可能会造成顶板冒落，造成伤人事故。由于陷落柱内岩石破碎，导水性强，极易成为沟通地下岩溶水和巷道、采场的通道，在富含水源及含水层的地质条件下，稍有不慎极有可能造成突水事故，严重影响矿井安全生产。

2 工程实践

晋煤成庄矿井田位于沁水煤田南翼，煤系地层为石炭统太原组和下二叠统山西组，埋藏深度260~530m。矿井内多条熔岩陷落柱发育。本矿井5103巷属于3#煤巷道，所在煤层平均厚度为5.86m，煤层倾角3°~12°，直接顶为灰黑色砂质泥岩，厚8.62m，中厚层状，含泥质较多，底部含炭质；直接底为灰黑色砂质泥岩，1.0m，薄层状，含泥质较多。5103巷为砂质泥岩，含泥质较多；底板为浅灰色细粒砂岩，厚2.0m，中厚层状，成份以石英，长石为主，夹含泥质条带状。

5103巷为矩形断面，净宽5.2m，毛宽5.5m，净高3.25m，毛高3.4m，掘进断面积18.7m2。5103巷掘至距开口位置约932m处时揭露一陷落柱X126。通过现场观测及勘察，已知该陷落柱长轴74m、短轴35m，受陷落柱影响，巷道顶板淋水加大、矸体破碎、工作面迎头矸体凌乱、部分矸体较硬、矸体中夹杂有煤，考虑到5103巷为盘区永久大巷，为保证支护效果，必须对陷落柱区的巷道进行架棚支护设计。

2.1 施工工艺

2.1.1 施工方式：经试验，陷落柱区段巷道围岩具有可锚性，但为保证盘曲大巷安全性，采用架U型棚方式支护。在掘进施工过程中，为便于施工，巷道使用拱形断面、炮掘掘进。采用放震动炮、机组截割、侧装机出矸、架棚的施工方式进行施工。

2.1.2 为保证施工安全，架棚施工必须使用临时支护，架棚工作面紧跟临时支护。临时支护有两种施工方式：前探梁、打超前锚杆，根据现场顶板情况可任选其一进行作业。①使用前探梁作为临时支护。我矿传统临时支护方式为前探梁，规格为：4寸钢管或轨道，长4m，2根，均匀布置，每根前探梁固定点不少于3个，且用木楔将前探梁打紧。此方案由于存在顶板仍有很大部分裸露，具有较大局限性，安全系数相对较低，只能作为巷道围岩不可锚时的临时支护方案。而且，前探梁紧贴巷道顶板，上顶梁时前探梁妨碍棚梁的架设，极大限制了施工进度的提高。②针对巷道围岩可锚的特点，我们在施工过程中首次尝试使用将金属网或钢筋网片与顶W钢带联网，然后使用切割头/机载式临时支护/前探梁/锚杆钻车等将钢带顶起，施工至少2根顶锚杆将W钢带接顶作为临时支护的施工方案。此种方案可以更有效最大面积保护顶板，防止作业过程中矸块掉落伤人，安全系数较高。而且，由于此种临时支护方案不会出现棚梁时妨碍上顶梁的现象，极大提高了施工进度。在巷道围岩可锚的情况下，优先选择此种方案作为临时支护。

2.1.3 永久支护。①每架棚由3根U型钢组成，搭接长度不小于500mm，每个搭接处装配卡缆2副，卡缆间距均匀布置，卡缆螺栓必须紧固。②棚与棚之间采用4道的拉条固定（梁、腿各2道）每架棚，拉条安装在梁、腿搭接300mm左右处。拉条采用φ20圆钢制作，固定拉条的U型卡螺丝要上紧，拉条安装要平直。③钢筋网采用规格为：φ8×7400×500mm（φ8×7400×1000）的钢筋背板，钢筋背板搭接处每隔100mm用16#铁丝扭结不小于两圈半。④卡缆、拉条螺丝必须上紧。⑤棚腿必须栽在底板坚硬岩石上，若底板松软，必须在棚腿下面垫铁柱鞋。

2.1.4 此巷道为下山巷道，过陷落柱时顶板淋水流向工作面，给柱窝施工带来一定困难。挖柱窝时，工作面准备一水泵（风泵或电泵）及时将工作面积水排出，防止积水流入柱窝，影响柱窝施工。如果坡度太大，积水排出困难，使用电泵或接力排水方法将水排出。

2.1.5 对过陷落柱前高冒区、过陷落柱后5m进行锚网支护，并按750mm进行套棚支护向全锚支护过渡。

2.1.6 巷道掘进完毕后，必须及时作喷浆处理。由于陷落柱内围岩充填物多为泥岩、砂岩等，胶结情况差，极易风化，巷道掘进完毕后，必须及时喷浆封闭陷落柱内胶结顶板，防止围岩风化、破碎，避免锚杆、锚索失效。同时，巷道喷浆后，若出现受压变形，巷道喷浆则开裂掉皮，容易观察顶板变形情况，便于及时采取加强支护措施。

2.2 现场实施及使用效果

2.2.1 现场实施监测。井下施工时，要求现场施工人员严格按照支护设计进行施工，同时在进入、过完陷落柱时巷道顶板正中安设各一个顶板离层仪，用以监测巷道顶底板移近量变化趋势。离层仪每周观测记录一次数据。随掘进面不断推进，对记录的数据进行分析。①陷落柱内充填物多为泥岩，胶结情况差，通过使用背板、板梁背实棚梁充分提高顶板的整体强度，很好的控制巷道围岩的变形破坏，保证了巷道的安全使用。②对巷道顶帮进行喷浆封闭，能够有效的阻止陷落柱区巷道顶帮岩石的风化破碎，进而保证了巷道顶帮锚固区围岩的稳定性与完整性，避免了锚杆、锚索因岩石风化而失效，从而有效控制围岩变形和破坏。

2.2.2 支护使用效果。①进入、过陷落柱套棚区段，采用锚网索喷组合支护系统，很好的控制了顶帮位移，保证了围岩稳定完整性，使该巷道可安全使用，说明该锚网索喷的支护设计对于巷道掘进过陷落柱是合理的。②本巷道采用架U型棚支护，而本矿其他仅采用架设平棚掘进面，顶板破碎、围岩变形严重、大面积形成网包，后期进行了单体柱支护补救，但单体柱后期维护仍困难，并有多架棚受压弯曲，这说明了架U型棚在过陷落柱支护中发挥了更好的作用。

3 结论

①对于通过陷落柱的巷道，其揭露的岩石易遇水风化、破碎，使巷道顶板难以支护。故必须采用喷浆封闭处理，避免巷道顶帮围岩遇水风化，保证顶帮围岩的完整性。②通过背板、板梁背实棚梁充分提高顶板的整体强度，即支护系统初期支护刚度和强度，很好的控制巷道围岩的变形破坏，保证了巷道的安全使用。③本次巷道支护设计，在一定范围内解决了陷落柱区巷道破碎围岩的支护难题，对相似条件下的过陷落柱巷道提供了借鉴和参考。

参考文献：

[1]崔加利.大兴煤矿地质构造复杂程度分析[J].价值工程，2012(02).

[2]李振华，徐高明，李见波.我国陷落柱突水问题的研究现状与展望[J].中国矿业，2009(04).

[3]杨德义，王赟，王辉.陷落柱的绕射波[J].石油物探，2000(04).