張旭東

摘要：在礦井生產(chǎn)過(guò)程中，遇到陷落柱對(duì)工作面及巷道掘進(jìn)安全和高效的生產(chǎn)有較大的影響。本文通過(guò)對(duì)陷落柱定義及其特征分析，綜合判斷其對(duì)巷道掘進(jìn)的影響。同時(shí)通過(guò)晉煤成莊礦5103巷現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件，提出架設(shè)U型棚支護(hù)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施觀測(cè)，驗(yàn)證該支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：陷落柱巷道掘進(jìn)U型棚支護(hù)

1 巖溶陷落柱

1.1 巖溶陷落柱形成過(guò)程分析 陷落柱是巖溶陷落柱的簡(jiǎn)稱。根據(jù)地質(zhì)出版社1986年出版的《地質(zhì)辭典》所下的定義陷落柱是煤田地區(qū)因下伏的石灰?guī)r層巖溶發(fā)育，在重力作用下，上覆巖層（包括煤系地層）呈柱狀或圓錐狀陷落形成的地質(zhì)體的專稱。因有些柱體四周圍巖略受牽引，巖層向柱中心傾斜，故又稱環(huán)狀陷落。在煤礦生產(chǎn)中遇到這種柱體，煤層突然中斷，被雜亂無(wú)章的碎石所替代，故又稱無(wú)炭柱。其形成過(guò)程如圖1所示。

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1.2 巖溶陷落柱特征分析 根據(jù)大量實(shí)際觀測(cè)總結(jié)，得出該地區(qū)巖溶陷落柱的一般特征：①地貌上陷落區(qū)的形狀一般為橢圓形或者是扁圓形的陷落盆地。外圍的巖層產(chǎn)狀正常而連續(xù)，盆地中常常被不同地層的巖煤的碎塊填充，無(wú)層序，混亂堆積。②陷落柱的總體形態(tài)一般是上小下大的不規(guī)則椎形，個(gè)別地方也有上下一樣的圓柱狀。它們?cè)谒角忻嫔隙喑蕶E圓和扁圓形，直徑大小不一。③陷落柱的巖石棱角分明，形狀不規(guī)則，排列紊亂，大小混雜，為粘土充填粘結(jié)。如在某一層位觀察陷落柱的巖塊特征，可以發(fā)現(xiàn)它們都是來(lái)自同一層位上的各個(gè)巖層和煤層。④陷落柱與圍巖的接觸界面多呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀，界線明顯，接觸面的角度是上大下小，一般在50°~85°度之間，75°最常見(jiàn)，接觸處的圍巖產(chǎn)狀基本正常，接觸帶的煤層以及頂?shù)装逡话銦o(wú)牽連現(xiàn)象，接近陷落柱3~5米時(shí)，巖層裂隙發(fā)育，煤層十分破碎，有時(shí)可以見(jiàn)到落差不大的小正斷層，斷層的走向與柱體相切，傾向柱體。在陷落區(qū)的邊緣地帶有的柱內(nèi)干燥無(wú)水，如峰峰煤礦，有的有淋水頭和小細(xì)流，如陽(yáng)泉煤礦。瓦斯的涌出量增大，比正常的區(qū)域要高出2~3倍。⑤陷落柱錐形體的中心軸與巖層層面近似垂直。因此，在傾斜巖層里陷落柱也發(fā)生歪斜，在水平的投影圖上，各煤層的陷落柱范圍并不是完全地重疊。

1.3 陷落柱對(duì)巷道掘進(jìn)的影響 根據(jù)陷落柱形成過(guò)程及特征分析，陷落柱內(nèi)頂板充填物為泥巖、砂巖等，且膠結(jié)情況差，陷落柱內(nèi)巖層風(fēng)化破碎嚴(yán)重，在巷道掘進(jìn)通過(guò)陷落柱時(shí)，圍巖破碎，穩(wěn)定性差。同時(shí)陷落柱附近可能有隱伏小斷層、裂隙、牽引褶曲、煤層傾角變大等地質(zhì)構(gòu)造，在支護(hù)不合理時(shí)可能會(huì)造成頂板冒落，造成傷人事故。由于陷落柱內(nèi)巖石破碎，導(dǎo)水性強(qiáng)，極易成為溝通地下巖溶水和巷道、采場(chǎng)的通道，在富含水源及含水層的地質(zhì)條件下，稍有不慎極有可能造成突水事故，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。

2 工程實(shí)踐

晉煤成莊礦井田位于沁水煤田南翼，煤系地層為石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，埋藏深度260~530m。礦井內(nèi)多條熔巖陷落柱發(fā)育。本礦井5103巷屬于3#煤巷道，所在煤層平均厚度為5.86m，煤層傾角3°~12°，直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚8.62m，中厚層狀，含泥質(zhì)較多，底部含炭質(zhì)；直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，1.0m，薄層狀，含泥質(zhì)較多。5103巷為砂質(zhì)泥巖，含泥質(zhì)較多；底板為淺灰色細(xì)粒砂巖，厚2.0m，中厚層狀，成份以石英，長(zhǎng)石為主，夾含泥質(zhì)條帶狀。

5103巷為矩形斷面，凈寬5.2m，毛寬5.5m，凈高3.25m，毛高3.4m，掘進(jìn)斷面積18.7m2。5103巷掘至距開(kāi)口位置約932m處時(shí)揭露一陷落柱X126。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及勘察，已知該陷落柱長(zhǎng)軸74m、短軸35m，受陷落柱影響，巷道頂板淋水加大、矸體破碎、工作面迎頭矸體凌亂、部分矸體較硬、矸體中夾雜有煤，考慮到5103巷為盤(pán)區(qū)永久大巷，為保證支護(hù)效果，必須對(duì)陷落柱區(qū)的巷道進(jìn)行架棚支護(hù)設(shè)計(jì)。

2.1 施工工藝

2.1.1 施工方式：經(jīng)試驗(yàn)，陷落柱區(qū)段巷道圍巖具有可錨性，但為保證盤(pán)曲大巷安全性，采用架U型棚方式支護(hù)。在掘進(jìn)施工過(guò)程中，為便于施工，巷道使用拱形斷面、炮掘掘進(jìn)。采用放震動(dòng)炮、機(jī)組截割、側(cè)裝機(jī)出矸、架棚的施工方式進(jìn)行施工。

2.1.2 為保證施工安全，架棚施工必須使用臨時(shí)支護(hù)，架棚工作面緊跟臨時(shí)支護(hù)。臨時(shí)支護(hù)有兩種施工方式：前探梁、打超前錨桿，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板情況可任選其一進(jìn)行作業(yè)。①使用前探梁作為臨時(shí)支護(hù)。我礦傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)方式為前探梁，規(guī)格為：4寸鋼管或軌道，長(zhǎng)4m，2根，均勻布置，每根前探梁固定點(diǎn)不少于3個(gè)，且用木楔將前探梁打緊。此方案由于存在頂板仍有很大部分裸露，具有較大局限性，安全系數(shù)相對(duì)較低，只能作為巷道圍巖不可錨時(shí)的臨時(shí)支護(hù)方案。而且，前探梁緊貼巷道頂板，上頂梁時(shí)前探梁妨礙棚梁的架設(shè)，極大限制了施工進(jìn)度的提高。②針對(duì)巷道圍巖可錨的特點(diǎn)，我們?cè)谑┕み^(guò)程中首次嘗試使用將金屬網(wǎng)或鋼筋網(wǎng)片與頂W鋼帶聯(lián)網(wǎng)，然后使用切割頭/機(jī)載式臨時(shí)支護(hù)/前探梁/錨桿鉆車等將鋼帶頂起，施工至少2根頂錨桿將W鋼帶接頂作為臨時(shí)支護(hù)的施工方案。此種方案可以更有效最大面積保護(hù)頂板，防止作業(yè)過(guò)程中矸塊掉落傷人，安全系數(shù)較高。而且，由于此種臨時(shí)支護(hù)方案不會(huì)出現(xiàn)棚梁時(shí)妨礙上頂梁的現(xiàn)象，極大提高了施工進(jìn)度。在巷道圍巖可錨的情況下，優(yōu)先選擇此種方案作為臨時(shí)支護(hù)。

2.1.3 永久支護(hù)。①每架棚由3根U型鋼組成，搭接長(zhǎng)度不小于500mm，每個(gè)搭接處裝配卡纜2副，卡纜間距均勻布置，卡纜螺栓必須緊固。②棚與棚之間采用4道的拉條固定（梁、腿各2道）每架棚，拉條安裝在梁、腿搭接300mm左右處。拉條采用φ20圓鋼制作，固定拉條的U型卡螺絲要上緊，拉條安裝要平直。③鋼筋網(wǎng)采用規(guī)格為：φ8×7400×500mm（φ8×7400×1000）的鋼筋背板，鋼筋背板搭接處每隔100mm用16#鐵絲扭結(jié)不小于兩圈半。④卡纜、拉條螺絲必須上緊。⑤棚腿必須栽在底板堅(jiān)硬巖石上，若底板松軟，必須在棚腿下面墊鐵柱鞋。

2.1.4 此巷道為下山巷道，過(guò)陷落柱時(shí)頂板淋水流向工作面，給柱窩施工帶來(lái)一定困難。挖柱窩時(shí)，工作面準(zhǔn)備一水泵（風(fēng)泵或電泵）及時(shí)將工作面積水排出，防止積水流入柱窩，影響柱窩施工。如果坡度太大，積水排出困難，使用電泵或接力排水方法將水排出。

2.1.5 對(duì)過(guò)陷落柱前高冒區(qū)、過(guò)陷落柱后5m進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，并按750mm進(jìn)行套棚支護(hù)向全錨支護(hù)過(guò)渡。

2.1.6 巷道掘進(jìn)完畢后，必須及時(shí)作噴漿處理。由于陷落柱內(nèi)圍巖充填物多為泥巖、砂巖等，膠結(jié)情況差，極易風(fēng)化，巷道掘進(jìn)完畢后，必須及時(shí)噴漿封閉陷落柱內(nèi)膠結(jié)頂板，防止圍巖風(fēng)化、破碎，避免錨桿、錨索失效。同時(shí)，巷道噴漿后，若出現(xiàn)受壓變形，巷道噴漿則開(kāi)裂掉皮，容易觀察頂板變形情況，便于及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及使用效果

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)測(cè)。井下施工時(shí)，要求現(xiàn)場(chǎng)施工人員嚴(yán)格按照支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，同時(shí)在進(jìn)入、過(guò)完陷落柱時(shí)巷道頂板正中安設(shè)各一個(gè)頂板離層儀，用以監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装逡平孔兓厔?shì)。離層儀每周觀測(cè)記錄一次數(shù)據(jù)。隨掘進(jìn)面不斷推進(jìn)，對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。①陷落柱內(nèi)充填物多為泥巖，膠結(jié)情況差，通過(guò)使用背板、板梁背實(shí)棚梁充分提高頂板的整體強(qiáng)度，很好的控制巷道圍巖的變形破壞，保證了巷道的安全使用。②對(duì)巷道頂幫進(jìn)行噴漿封閉，能夠有效的阻止陷落柱區(qū)巷道頂幫巖石的風(fēng)化破碎，進(jìn)而保證了巷道頂幫錨固區(qū)圍巖的穩(wěn)定性與完整性，避免了錨桿、錨索因巖石風(fēng)化而失效，從而有效控制圍巖變形和破壞。

2.2.2 支護(hù)使用效果。①進(jìn)入、過(guò)陷落柱套棚區(qū)段，采用錨網(wǎng)索噴組合支護(hù)系統(tǒng)，很好的控制了頂幫位移，保證了圍巖穩(wěn)定完整性，使該巷道可安全使用，說(shuō)明該錨網(wǎng)索噴的支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)于巷道掘進(jìn)過(guò)陷落柱是合理的。②本巷道采用架U型棚支護(hù)，而本礦其他僅采用架設(shè)平棚掘進(jìn)面，頂板破碎、圍巖變形嚴(yán)重、大面積形成網(wǎng)包，后期進(jìn)行了單體柱支護(hù)補(bǔ)救，但單體柱后期維護(hù)仍困難，并有多架棚受壓彎曲，這說(shuō)明了架U型棚在過(guò)陷落柱支護(hù)中發(fā)揮了更好的作用。

3 結(jié)論

①對(duì)于通過(guò)陷落柱的巷道，其揭露的巖石易遇水風(fēng)化、破碎，使巷道頂板難以支護(hù)。故必須采用噴漿封閉處理，避免巷道頂幫圍巖遇水風(fēng)化，保證頂幫圍巖的完整性。②通過(guò)背板、板梁背實(shí)棚梁充分提高頂板的整體強(qiáng)度，即支護(hù)系統(tǒng)初期支護(hù)剛度和強(qiáng)度，很好的控制巷道圍巖的變形破壞，保證了巷道的安全使用。③本次巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，在一定范圍內(nèi)解決了陷落柱區(qū)巷道破碎圍巖的支護(hù)難題，對(duì)相似條件下的過(guò)陷落柱巷道提供了借鑒和參考。

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