西曲矿18401轨道巷陷落柱局部围岩控制技术研究

柴银亮

（西山煤电股份有限公司西曲矿， 山西 古交 030200）

煤炭开采过程中，由于地下地质条件复杂多变，掘巷时经常会遇到不同的地质构造，如褶曲、断层、陷落柱等，其中陷落柱又称岩溶，主要由地下流水长期侵蚀岩石形成小规模溶洞，在经过长期构造应力、覆岩载荷作用下，溶洞坍塌上部岩层陷落，形成不规则圆柱状体[1，2]。我国华北、西北大多煤矿均存在较为发育的陷落柱，由于陷落柱附近岩体应力及其力学性质极为复杂，极易形成塑性破坏区，当巷道掘进过程中遇到陷落柱时，巷道经常出现大变形现象，且一般的支护结构容易失效，直接影响到矿井的高产高效[3，4]。

近年来，越来越多专家学者聚焦在复杂应力环境下巷道围岩控制技术的研究中，如张村等[5]根据围岩变形特征，建立了陷落柱“厚筒壁四区”模型，通过数值模拟、现场测试等手段进行验证模型的可靠性。结果表明，该模型较好地描述陷落柱围岩演化特征。宋彦琦等[6]进行了椭圆陷落柱模型围岩的应力分析，得到了椭圆陷落柱围岩应力解析解，即截面长轴端部应力值最大，而短轴端部最小。许进鹏等[7]通过薄板理论、极限平衡理论分析了陷落柱形成机理，阐述了陷落柱形成、发展的过程。何富连和张广超[8]提出了“高强密集支护+新型喷层+滞后注浆”为核心的支护体系，分别从支护密度、喷层结构等角度分析了软岩巷道围岩应力演化及变形特征，现场应用提出的支护体系后，围岩得到良好控制。

地质资料显示，西曲矿18401工作面所布置的轨道巷附近存在陷落柱构造，若不及时进行陷落柱局部围岩的加固，现场极有可能出现围岩大变形情况，影响正常采煤工作，为防止试验巷道服务期间受陷落柱影响变形严重，中断工作面生产，本文从陷落柱附近巷道围岩变形特点出发，针对性提出陷落柱局部围岩控制原则，最终开发形成了西曲矿18401轨道巷陷落柱局部围岩控制技术，该技术可为陷落柱等构造附近或其他复杂应力环境巷道围岩控制提供参考，进一步丰富矿山支护领域技术体系。

1 工程背景

18401工作面开采太原组8号煤层，图1给出了工作面采掘工程平面图及煤层柱状图，煤层平均厚度4.0 m，西南倾向，为近水平煤层（约4°），8号煤层节理较为发育，煤体普氏系数2，直接顶为石灰岩（极易形成陷落柱），约2.4 m，基本顶及上覆岩层强度较高，约55~65 MPa，直接底、基本底分别为细砂岩（1.54 m）、粉砂岩（3.13 m），试验巷道顶底板条件较好，但是巷道附近存在陷落柱等构造（如E1507陷落柱），因此需要对该影响区域附近进行加强支护，试验巷道断面尺寸（宽×高）4.5 m×3.5 m。

图1 18401工作面采掘工程平面图及煤层柱状图

2 陷落柱局部围岩变形特征

受陷落柱构造的影响，其附近巷道围岩应力环境极为复杂，围岩力学性质、变形特征类似于高应力软岩巷道，其流变现象严重，具有应力环境恶劣、围岩体破碎、自稳困难等特点，需要采用局部特殊的围岩控制手段，图2给出了几张陷落柱附近的一些巷道变形情况。从图2可以看出巷道变形均较为严重，因此在巷道掘巷时，若遇到陷落柱等地质构造应及时进行加强支护，同时加强矿压观测，必要时采取架棚等措施，避免巷道将由于变形严重而中断服务，影响矿井正常开采。

图2 陷落柱附近巷道变形特征

3 陷落柱局部围岩控制原则及技术

3.1 控制原则

由于受陷落柱构造影响，附近巷道所处环境特殊，在提出局部围岩控制技术之前首先提出该类复杂巷道控制原则。

1）围岩体力学性质强化原则。由于巷道附近围岩环境恶劣，在充分调查测试围岩体力学性质的基础上通过注浆、表面喷层等措施强化围岩体力学性质，使之能够形成承载结构。

2）支护结构强主动承载原则。巷道掘出后，提前形成人为进行高强度主动支护，如高预应力锚网索支护，避免巷道围岩过度变形破坏，诱发巷道整体失稳。

3）围岩-支护结构协同承载原则。优化支护参数促使围岩支护-结构一体化，改善支护体与围岩完整性，形成整体协同承载，约束围岩碎胀特性。

3.2 控制技术

根据试验巷道围岩力学特征、陷落柱附近围岩变形特征及所提出的陷落柱局部围岩控制原则，开发形成试验巷道陷落柱局部围岩控制技术，试验巷道尺寸4500 mm×3500 mm（宽×高），具体支护技术参数如下。

3.2.1 注浆锚杆提高围岩体力学性质

顶板及两帮均采用长度为L 2500 mm的注浆锚杆，间排距1200 mm×1400 mm（配合高预应力锚索交叉分布）。巷道帮部每排3根，下帮部锚杆向下倾斜15°，距底板600 mm；上帮部锚杆向上倾斜15°，距顶板500 mm。巷道顶板每排4根，靠近左右帮的锚杆均倾斜15°，距帮部450 mm，具体支护参数如图3所示。注浆材料选用硅酸盐水泥（425号），压力3 MPa，巷道掘出后15 d注浆，并充分注浆提高围岩体力学性质。

3.2.2 高预应力锚杆索形成强主动承载结构

顶板和两帮均采用高预应力锚杆索进行支护，锚杆规格L2200 m×Φ24 mm左旋高强度锚杆，间排距700 mm×700 mm，帮部锚杆每排5根，顶板锚杆每排7根，均配厚12 mm、尺寸120 mm×120 mm的蝶形托盘和Φ12 mm双筋梯子梁；锚索规格Φ21.6 mm，顶板L6300 mm、帮部L4300 mm，顶板及帮部锚索间排距分别为1500 mm×1400 mm、1200 mm×1400 mm（配合注浆锚杆交叉分布），帮部锚索每排2根，顶板锚索每排3根，均配厚15mm、尺寸300 mm×300 mm的蝶形托盘和3 mm厚的W钢带，钢筋网采用12号钢筋编制，规格3700 mm×1000 mm、4700 mm×1000 mm搭接而成，锚杆预紧扭矩不低于300 N·m，锚索预紧力不低于50 MPa，预应力锚杆索施工过程中要保证其预紧力达到要求，从而形成高预应力锚杆索强主动承载结构，实现巷道围岩的稳定控制。

图3 局部围岩控制支护断面图（mm）

4 陷落柱局部围岩控制效果

该技术在西曲矿18401轨道巷陷落柱附近巷道进行了应用，矿压监测表明技术的适用性，并在该矿进行了推广应用，效果均反映良好。下页图4给出了采用该技术后80 d内的围岩变形情况。从图4可以看出，试验巷道整体围岩控制效果良好，顶底板围岩在50 d后达到最大收敛并逐渐稳定，此时顶底位移收敛量约126 mm，两帮围岩在45 d后达到最大收敛并逐渐稳定，此时两帮位移收敛量约95 mm，监测结果一定程度上表明了巷道围岩的活动规律，即巷道两帮围岩首先稳定后，抑制顶板下沉活动，实现巷道围岩的整体稳定。

图4 巷道表面位移收敛情况

5 结论

1）分析了陷落柱附近巷道围岩的特点：应力环境恶劣、围岩体破碎、自稳困难，提出了陷落柱局部围岩控制原则：围岩体力学性质强化原则；支护结构强主动承载原则；围岩-支护结构协同承载原则，该控制原则适用性强，可应用于类似复杂应力环境、高应力软岩巷道。

2）基于陷落柱附近巷道围岩特点的分析及提出的控制原则，开发了西曲矿18401轨道巷陷落柱局部围岩控制技术：注浆锚杆提高围岩体力学性质；高预应力锚杆索形成强主动承载结构。西曲矿18401轨道巷进行应用该技术后，巷道围岩变形得到了有效控制，该巷道在服务期内，顶底板最大位移收敛量约126 mm，两帮围岩最大位移收敛量约95 mm，矿压结果验证了巷道围岩的活动规律，即巷道两帮围岩首先稳定后，抑制顶板下沉活动，实现巷道围岩的整体稳定。同时该技术推广应用于该矿类似条件下巷道围岩控制，具有较强的推广应用价值。