二水平膠帶大巷陷落柱影響段底鼓原因分析及控制

張 軍

（陽煤集團平定裕泰煤業有限公司，山西 平定 045200）

煤礦開采形式及難易程度直接取決于該礦井所處的地質條件及不同復雜地質構造的存在，其中，陷落柱由于其應力環境復雜，且具有形態不規則、隱伏較好、危害較大、突發性強等特點，在礦井掘進巷道通過陷落柱時，易導致陷落柱影響段巷道圍巖發生變形破壞嚴重、頂底板導水通道急增的現象。本文以陽泉煤礦平定裕泰煤業為研究背景，該礦井二水平膠帶大巷受XM193陷落柱的影響，部分巷道底鼓吸水膨脹變形較大。采用室內試驗、現場勘察及監測等手段，分析了礦井陷落柱分布及特征，并利用X射線衍射試驗分析了巷道底板泥巖成分含量，提出了高強錨網索+幫底注漿錨桿+混凝土噴層的綜合底鼓控制方案。經試驗段巷道應用后的變形監測結果得知，底鼓得到了有效控制。

1 工程概況

陽泉煤業（集團）平定裕泰煤業位于陽泉市平定縣南后峪村一帶，該礦區井田位于太行山山脈中段西麓、沁水板拗太原西山-盂縣板坪構造區中南部，總的地勢為西南高北東低，傾角2°～6°，為一單斜構造，地表及井下共發現陷落柱15個，未發現斷層和巖漿巖侵入。地形最高點位于西南部山梁上，標高1128.52m，最低點位于東部的陽勝河河谷，標高881.00m，最大相對高差247.52m。

該井田現回采15號煤層位于太原組下段中部，上距9號煤層81.10m，煤層厚度4.08～6.73m，平均5.39m，為井田穩定全區可采煤層，一般含2～4層夾矸，結構復雜，為特低灰-低灰、低硫-中硫分、特低磷-中磷分、特高熱值無煙煤。該煤層頂板為泥巖，局部為砂質泥巖、細砂巖；底板為泥巖、砂質泥巖。全井田15號煤為一個采區，涉及開拓巷道有二水平軌道大巷、膠帶大巷、回風大巷。巷道參數如表1所示。

表1 開拓巷道參數

2 陷落柱分布特征

井田內現已發現的陷落柱共15個，地表出露6個，較大陷落柱12個，井田內均有分布，如表2所示。陷落柱規模大小不一，一般為圓形、橢圓形，大者長軸可達450m，小的長軸不足30m，陷壁角一般在80°～85°之間。陷落柱對煤層的破壞影響范圍自陷斷邊界向外一般不超過10m，但陷落柱對煤層開采有較大影響。

表2 較大陷落柱一覽表

據三維地震勘探結果，二水平膠帶巷（巖巷）距北翼正頭聯絡巷67m處有XM193陷落柱發育，距北翼正頭聯絡巷430m處有XM194陷落柱發育，距北翼正頭聯絡巷570m處揭露有XM198陷落柱，如圖1所示。該巷道受XM193陷落柱的影響，在靠近陷落柱的區域發生巷道底鼓破壞嚴重的現象。

3 陷落柱對底鼓影響分析

3.1 泥巖X射線試驗

在二水平膠帶大巷受XM193陷落柱影響段進行現場底板泥巖取樣，之后通過X射線衍射試驗分析巷道底板泥巖層的成分組成，以揭示底鼓破壞的根本原因。如表3所示，為X射線衍射試驗得出的巷道底板泥巖層礦物成分含量分析。其中，方解石含量比重最大，占到54.4%；其次是黏土類礦物成分占到22%，其中蒙脫石含量達到16.1%，具有較強的吸水膨脹性，是導致底板變形的內在因素。

圖1 膠帶巷底鼓破壞區域位置圖

表3 底板礦物成分含量一覽表（單位：%）

3.2 陷落柱影響分析

陷落柱的存在導致其圍巖塑性區內節理、裂隙發育異常，煤巖破碎加劇，從而導致巷道圍巖滲透性增強。在巷道掘出后，陷落柱與巷道間易形成承壓水頭導致底板滲水，為蒙脫石膨脹創造了條件。因此陷落柱的存在是底板變形破壞的直接原因。

據礦井水文地質資料得知，該礦以煤層頂板裂隙滲水、陷落柱滲水為主，煤層充水通道主要為煤層頂板以上巖石的裂隙、陷落柱及開采后形成的導水裂隙帶，尤其陷落柱溝通地下水，是礦井充水的主要因素。

4 底鼓控制方案

針對膠帶大巷受陷落柱影響導致的底板吸水膨脹、底鼓嚴重的問題，需在兩個方面進行支護優化：一是提高巷道底板巖石力學強度；二是減小巷道兩幫對底板的擠壓。因此，綜合考慮采用高強度錨網噴+滯后注漿錨桿支護的巷道加固方案。

4.1 加固方案

根據膠帶大巷現場考察結果以及XM193陷落柱影響巷道段范圍，確定巷道需加固控制底板的長度約為100m，具體加固控制方案如下。

（1）錨網噴支護

采用Ф22mm×2200mm頂板及兩幫高強錨桿（ 間 排 距 700mm×700mm）+Ф22mm×7000mm頂板高強錨索（間排距1400mm×2100mm，五花居中布置）+Ф43mm×2000mm套管式錨桿（排距700mm，向下傾斜45°）+全斷面鐵絲網（網孔規格30mm×30mm）+全斷面噴射混凝土（噴射強度等級為C20，噴射厚度蓋過金屬網）聯合支護。

（2）滯后注漿錨桿

在高強錨網噴支護的基礎上，實施滯后高壓錨桿注漿技術進行補強支護。具體布置方式為：巷道兩幫采用注漿錨桿補強支護，錨桿布置間排距為1400mm×2100mm，其中最上面和最下面的錨桿均向外側呈傾斜25°布置。此外，增加底板錨桿支護，底板錨桿2根，排距2100mm，單排布置分別與巷道中心線呈對稱分布，單側距巷幫1100mm，傾斜角度為60°。如圖2所示。

選用硅酸鹽水泥進行錨桿滯后注漿，單孔注漿壓力3MPa，注漿時間0.5h，滯后時間為初次掘進支護20d后。注漿錨桿安裝完畢后，再次進行兩幫及底板二次噴射混凝土補強支護，噴射厚度50mm。

圖2 注漿錨桿布置圖

4.2 治理效果監測

在膠帶大巷陷落柱影響段采用上述控制方案后，進行試驗段巷道穩定性測試監測，監測為期3個月，繪制成曲線如圖3所示。可見，在原支護條件下，巷道底板發生持續變形，最大底鼓量達到226mm，監測后期巷道底板仍有繼續變形的趨勢；經底板控制治理后，底板變形較為緩慢，在監測40d以后變化不再明顯，40d時的巷道底鼓量為41mm，80d時的巷道底鼓量為58mm，較原支護方案時降低了74.3%，說明底板控制效果明顯。

5 結論

（1）膠帶大巷泥巖底板成分中，方解石含量占54.4%，黏土類礦物成分占22%，且蒙脫石占16.1%，其具有較強的吸水膨脹性，是導致底板變形的內在因素；

（2）巷道掘出后，頂板巖層裂隙滲水和陷落柱滲水是巷道主要的充水因素；

（3）采用錨網噴+滯后錨桿注漿的方法，有效控制了巷道底鼓變形，據現場監測分析，加固方案后的巷道底鼓量較原方案降低了74.3%。

圖3 巷道底鼓變形監測結果