U型棚在掘進巷道過陷落柱的創新與實踐

張旭東

摘要：在礦井生產過程中，遇到陷落柱對工作面及巷道掘進安全和高效的生產有較大的影響。本文通過對陷落柱定義及其特征分析，綜合判斷其對巷道掘進的影響。同時通過晉煤成莊礦5103巷現場生產條件，提出架設U型棚支護的設計方案，并通過現場實施觀測，驗證該支護設計的合理性。

關鍵詞：陷落柱巷道掘進U型棚支護

1 巖溶陷落柱

1.1 巖溶陷落柱形成過程分析 陷落柱是巖溶陷落柱的簡稱。根據地質出版社1986年出版的《地質辭典》所下的定義陷落柱是煤田地區因下伏的石灰巖層巖溶發育，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，故又稱環狀陷落。在煤礦生產中遇到這種柱體，煤層突然中斷，被雜亂無章的碎石所替代，故又稱無炭柱。其形成過程如圖1所示。

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1.2 巖溶陷落柱特征分析 根據大量實際觀測總結，得出該地區巖溶陷落柱的一般特征：①地貌上陷落區的形狀一般為橢圓形或者是扁圓形的陷落盆地。外圍的巖層產狀正常而連續，盆地中常常被不同地層的巖煤的碎塊填充，無層序，混亂堆積。②陷落柱的總體形態一般是上小下大的不規則椎形，個別地方也有上下一樣的圓柱狀。它們在水平切面上多呈橢圓和扁圓形，直徑大小不一。③陷落柱的巖石棱角分明，形狀不規則，排列紊亂，大小混雜，為粘土充填粘結。如在某一層位觀察陷落柱的巖塊特征，可以發現它們都是來自同一層位上的各個巖層和煤層。④陷落柱與圍巖的接觸界面多呈現出不規則的鋸齒狀，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，接觸處的圍巖產狀基本正常，接觸帶的煤層以及頂底板一般無牽連現象，接近陷落柱3~5米時，巖層裂隙發育，煤層十分破碎，有時可以見到落差不大的小正斷層，斷層的走向與柱體相切，傾向柱體。在陷落區的邊緣地帶有的柱內干燥無水，如峰峰煤礦，有的有淋水頭和小細流，如陽泉煤礦。瓦斯的涌出量增大，比正常的區域要高出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 陷落柱對巷道掘進的影響 根據陷落柱形成過程及特征分析，陷落柱內頂板充填物為泥巖、砂巖等，且膠結情況差，陷落柱內巖層風化破碎嚴重，在巷道掘進通過陷落柱時，圍巖破碎，穩定性差。同時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構造，在支護不合理時可能會造成頂板冒落，造成傷人事故。由于陷落柱內巖石破碎，導水性強，極易成為溝通地下巖溶水和巷道、采場的通道，在富含水源及含水層的地質條件下，稍有不慎極有可能造成突水事故，嚴重影響礦井安全生產。

2 工程實踐

晉煤成莊礦井田位于沁水煤田南翼，煤系地層為石炭統太原組和下二疊統山西組，埋藏深度260~530m。礦井內多條熔巖陷落柱發育。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泥巖，厚8.62m，中厚層狀，含泥質較多，底部含炭質；直接底為灰黑色砂質泥巖，1.0m，薄層狀，含泥質較多。5103巷為砂質泥巖，含泥質較多；底板為淺灰色細粒砂巖，厚2.0m，中厚層狀，成份以石英，長石為主，夾含泥質條帶狀。

5103巷為矩形斷面，凈寬5.2m，毛寬5.5m，凈高3.25m，毛高3.4m，掘進斷面積18.7m2。5103巷掘至距開口位置約932m處時揭露一陷落柱X126。通過現場觀測及勘察，已知該陷落柱長軸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巷為盤區永久大巷，為保證支護效果，必須對陷落柱區的巷道進行架棚支護設計。

2.1 施工工藝

2.1.1 施工方式：經試驗，陷落柱區段巷道圍巖具有可錨性，但為保證盤曲大巷安全性，采用架U型棚方式支護。在掘進施工過程中，為便于施工，巷道使用拱形斷面、炮掘掘進。采用放震動炮、機組截割、側裝機出矸、架棚的施工方式進行施工。

2.1.2 為保證施工安全，架棚施工必須使用臨時支護，架棚工作面緊跟臨時支護。臨時支護有兩種施工方式：前探梁、打超前錨桿，根據現場頂板情況可任選其一進行作業。①使用前探梁作為臨時支護。我礦傳統臨時支護方式為前探梁，規格為：4寸鋼管或軌道，長4m，2根，均勻布置，每根前探梁固定點不少于3個，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，安全系數相對較低，只能作為巷道圍巖不可錨時的臨時支護方案。而且，前探梁緊貼巷道頂板，上頂梁時前探梁妨礙棚梁的架設，極大限制了施工進度的提高。②針對巷道圍巖可錨的特點，我們在施工過程中首次嘗試使用將金屬網或鋼筋網片與頂W鋼帶聯網，然后使用切割頭/機載式臨時支護/前探梁/錨桿鉆車等將鋼帶頂起，施工至少2根頂錨桿將W鋼帶接頂作為臨時支護的施工方案。此種方案可以更有效最大面積保護頂板，防止作業過程中矸塊掉落傷人，安全系數較高。而且，由于此種臨時支護方案不會出現棚梁時妨礙上頂梁的現象，極大提高了施工進度。在巷道圍巖可錨的情況下，優先選擇此種方案作為臨時支護。

2.1.3 永久支護。①每架棚由3根U型鋼組成，搭接長度不小于500mm，每個搭接處裝配卡纜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鋼筋網采用規格為：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，過陷落柱時頂板淋水流向工作面，給柱窩施工帶來一定困難。挖柱窩時，工作面準備一水泵（風泵或電泵）及時將工作面積水排出，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 對過陷落柱前高冒區、過陷落柱后5m進行錨網支護，并按750mm進行套棚支護向全錨支護過渡。

2.1.6 巷道掘進完畢后，必須及時作噴漿處理。由于陷落柱內圍巖充填物多為泥巖、砂巖等，膠結情況差，極易風化，巷道掘進完畢后，必須及時噴漿封閉陷落柱內膠結頂板，防止圍巖風化、破碎，避免錨桿、錨索失效。同時，巷道噴漿后，若出現受壓變形，巷道噴漿則開裂掉皮，容易觀察頂板變形情況，便于及時采取加強支護措施。

2.2 現場實施及使用效果

2.2.1 現場實施監測。井下施工時，要求現場施工人員嚴格按照支護設計進行施工，同時在進入、過完陷落柱時巷道頂板正中安設各一個頂板離層儀，用以監測巷道頂底板移近量變化趨勢。離層儀每周觀測記錄一次數據。隨掘進面不斷推進，對記錄的數據進行分析。①陷落柱內充填物多為泥巖，膠結情況差，通過使用背板、板梁背實棚梁充分提高頂板的整體強度，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對巷道頂幫進行噴漿封閉，能夠有效的阻止陷落柱區巷道頂幫巖石的風化破碎，進而保證了巷道頂幫錨固區圍巖的穩定性與完整性，避免了錨桿、錨索因巖石風化而失效，從而有效控制圍巖變形和破壞。

2.2.2 支護使用效果。①進入、過陷落柱套棚區段，采用錨網索噴組合支護系統，很好的控制了頂幫位移，保證了圍巖穩定完整性，使該巷道可安全使用，說明該錨網索噴的支護設計對于巷道掘進過陷落柱是合理的。②本巷道采用架U型棚支護，而本礦其他僅采用架設平棚掘進面，頂板破碎、圍巖變形嚴重、大面積形成網包，后期進行了單體柱支護補救，但單體柱后期維護仍困難，并有多架棚受壓彎曲，這說明了架U型棚在過陷落柱支護中發揮了更好的作用。

3 結論

①對于通過陷落柱的巷道，其揭露的巖石易遇水風化、破碎，使巷道頂板難以支護。故必須采用噴漿封閉處理，避免巷道頂幫圍巖遇水風化，保證頂幫圍巖的完整性。②通過背板、板梁背實棚梁充分提高頂板的整體強度，即支護系統初期支護剛度和強度，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本次巷道支護設計，在一定范圍內解決了陷落柱區巷道破碎圍巖的支護難題，對相似條件下的過陷落柱巷道提供了借鑒和參考。

參考文獻：

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