长平煤矿陷落柱区域岩体应力特征及巷道支护技术

金成成

（晋煤集团长平公司，山西 高平 048400）

0 引言

煤岩体是一个极其复杂的地质体。与其它工程材料相比，它具有两大特点[1-2]：其一是煤岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是煤岩体含有内应力，地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏。随着现代矿井逐渐向深部延伸，岩体所处的地质条件越来越复杂，巷道在区域地应力及地质构造作用下的局部地应力影响下，巷道围岩条件更加复杂也能难支护。

1 工程概述

山西长平煤矿是晋城煤业集团一个现代化矿井，目前矿井主采3号煤层。井田地层倾角平缓，褶曲幅度不大，井田范围内较大的断层主要为李家河正断层、西沟村北正断层、安家村西正断层，断层落差均在10 m以上，矿井盘区设计均已考虑避让；落差10 m以下的小型断层、陷落柱比较发育，同时2～5 m落差断层分布广泛，而落差在5～10 m的断层对煤岩体的影响范围较大，地应力场不仅发生变化，同时其附近常常衍生有小断层群，给矿井采掘活动造成了较大的影响。文章以长平矿4321工作面范围内揭露的陷落柱D X214、断层为工程载体。

2 陷落柱区域岩体应力特征

2.1 理论计算

根据现场陷落柱围岩破坏特征，将陷落柱截面作为圆形模型考虑，将其周边一定区域岩体分为破碎区、应力降低区、弹性应力升高区、原岩应力区。根据弹塑性力学相关知识可以得到如图1所示的陷落柱周边应力分布特性[3-4]。

图1 陷落柱周边应力分布曲线

长平矿3号煤覆存埋深在500 m，煤抗拉强度0.5 MPa，顶底板围岩以泥岩、砂质泥岩、细砂岩为主，抗拉强度分别为：0.9、1.5、6.2 MPa，取上覆岩层容重为25 k N/m3，经现场钻探得陷落柱D X214半径为50 m，由此得出陷落柱周边最大剪切向应力为：

故可判定长平矿3号煤陷落柱周边均存在一定范围的破碎区、塑性应力降低区、弹性应力升高区、原岩应力区。

根据弹塑性力学可以得到塑性区半径R：

式中：ra为陷落柱的半径，PO为水平应力，q为垂直应力，Pi为陷落柱柱体对柱体边界的支撑力，式中ε取值为：ε=1+sinϕ/1-sinϕ。通过计算，可得出陷落柱D X214塑性区范围为9.9 m，应力升高区范围为15 m。

2.2 数值模拟

通过F LAC3D数值模拟软件，对陷落柱周边应力分布进行验证模拟，给出陷落柱应力分布4个区域。

图2 中，（a）、（b）云图中同一水平线上的柱体内应力值均低于柱体外围，垂直应力柱体内外差异较大，而水平应力值柱体内外差异则较小；垂直应力从模型的顶部往下应力值依次增大，柱体边界由内到外应力逐渐增大，形成应力升高区，随着距离的增大，柱体边界外围岩体应力值趋于平缓，恢复原岩应力。由此验证了陷落柱体围岩塑形应力降低区、应力升高区及原岩应力区的存在。

图2 正楔形陷落柱垂直与水平应力云图

3 过陷落柱巷道支护技术

3.1 陷落柱区域巷道破坏特征

通过现场调研、实测，分析，得出陷落柱区域内巷道破坏特征：①变形的破坏方式较多，有破碎带巷道顶板下沉、巷帮片帮等；②巷道变形量大，巷道围岩应力释放速率快[5]，且处于较长时间，其主要表现在巷道顶底板移近速度、巷道两帮移近的速度，且巷道围岩自稳时间较长；③陷落柱构造破碎带围岩变形破坏表现出很强的各向异性，巷道围岩的变形及破坏无对称性，无法做出精准的预测；④陷落柱松散围岩与支护体相互作用后，破碎带围岩变形不会在短时间内停下来，围岩变形表现出较强的流变性。

3.2 陷落柱区域巷道支护技术

以43101巷工作面穿过D X214陷落柱为例，说明巷道穿越陷落柱时的支护。

1）注浆加固围岩：采用的为联邦双液注浆材料，2种浆液混合后凝固时间为3～10 min，凝固后1～8 h内浆液岩体强度可达到8～15 MPa以上，注浆的压力选取10～15 MPa，为了能使浆液完全扩散到破碎孔隙中，超前预注浆加固巷道顶板采用拱形布孔，形成拱形壳体围岩结构，顶板、两帮及底板钻孔离巷道轮廓线均为0.5 m，在工作面迎头距离顶板下0.5 m处，布置一排5个钻孔，间距1 m，两侧孔外斜角度7°、仰角4°，中间孔仰角10°，水平布置；在工作面迎头中部布置一排3个钻孔，两侧孔外斜角7°，中间孔0°，水平布置无倾角；在距离工作面迎头底板往上0.5 m处布置一排3个钻孔，两侧孔外斜角6°、倾角-6°，中间孔0°、倾角-10°。

注浆采用分段前进式超前注浆施工工艺。分段前进式深孔超前注浆是钻、注交替作业的一种注浆方式，按照设计要求，每循环加固长度为20 m，后续注浆段均预留2 m注浆岩层，用来保障钻孔的施工安全。钻孔布置如图3所示。

图3 超前注浆施工剖面图

2）巷道支护参数：顶板采用2-0-2方式布置6.3 m锚索，锚杆间排距均为1.0 m；巷帮采用间距0.9 m、排距1.0 m的锚杆支护，具体参数见图4。

图4 43101巷原始支护参数

4 矿压观测

图5为43101巷过陷落柱围岩变形观测的2个测站数据，测点1、2巷道围岩变形规律基本相同，支护初期巷道顶板下沉量、两帮移进量均较大且变形速率较快，在24 d时围岩变形基本趋于稳定，顶底板移近量稳定在191 mm，两帮移近量稳定在121 mm。表明超预注浆+锚索网支护+架棚支护方案能够使巷道安全地通过陷落柱构造带，效果较好。

图5 43101过陷落柱区域巷道围岩变形量观测

5 结语

通过理论分析、数值模拟得出陷落柱区域岩体应力特征，即应力分布的4个区，破碎区、塑性应力降低区、弹性应力升高区、原岩应力区，根据长平矿3号煤围岩力学参数得出长平矿陷落柱区域岩体必然存在上述4个区域，同时给出了塑性区半径的理论计算公式。

通过现场调研，给出了长平矿巷道过陷落柱围岩破坏特征，利用超前预注浆技术，以及合理的锚网索支护，有效提高了过陷落柱巷道围岩稳定，为煤矿安全生产提供了技术保障。