長平煤礦陷落柱區域巖體應力特征及巷道支護技術

金成成

（晉煤集團長平公司，山西 高平 048400）

0 引言

煤巖體是一個極其復雜的地質體。與其它工程材料相比，它具有兩大特點[1-2]：其一是煤巖體內部含有各種各樣的不連續面，如節理、裂隙等，這些不連續面顯著改變了巖體的強度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強度相差懸殊；其二是煤巖體含有內應力，地應力場的大小和方向都顯著影響著圍巖的變形和破壞。隨著現代礦井逐漸向深部延伸，巖體所處的地質條件越來越復雜，巷道在區域地應力及地質構造作用下的局部地應力影響下，巷道圍巖條件更加復雜也能難支護。

1 工程概述

山西長平煤礦是晉城煤業集團一個現代化礦井，目前礦井主采3號煤層。井田地層傾角平緩，褶曲幅度不大，井田范圍內較大的斷層主要為李家河正斷層、西溝村北正斷層、安家村西正斷層，斷層落差均在10 m以上，礦井盤區設計均已考慮避讓；落差10 m以下的小型斷層、陷落柱比較發育，同時2～5 m落差斷層分布廣泛，而落差在5～10 m的斷層對煤巖體的影響范圍較大，地應力場不僅發生變化，同時其附近常常衍生有小斷層群，給礦井采掘活動造成了較大的影響。文章以長平礦4321工作面范圍內揭露的陷落柱D X214、斷層為工程載體。

2 陷落柱區域巖體應力特征

2.1 理論計算

根據現場陷落柱圍巖破壞特征，將陷落柱截面作為圓形模型考慮，將其周邊一定區域巖體分為破碎區、應力降低區、彈性應力升高區、原巖應力區。根據彈塑性力學相關知識可以得到如圖1所示的陷落柱周邊應力分布特性[3-4]。

圖1 陷落柱周邊應力分布曲線

長平礦3號煤覆存埋深在500 m，煤抗拉強度0.5 MPa，頂底板圍巖以泥巖、砂質泥巖、細砂巖為主，抗拉強度分別為：0.9、1.5、6.2 MPa，取上覆巖層容重為25 k N/m3，經現場鉆探得陷落柱D X214半徑為50 m，由此得出陷落柱周邊最大剪切向應力為：

故可判定長平礦3號煤陷落柱周邊均存在一定范圍的破碎區、塑性應力降低區、彈性應力升高區、原巖應力區。

根據彈塑性力學可以得到塑性區半徑R：

式中：ra為陷落柱的半徑，PO為水平應力，q為垂直應力，Pi為陷落柱柱體對柱體邊界的支撐力，式中ε取值為：ε=1+sin?/1-sin?。通過計算，可得出陷落柱D X214塑性區范圍為9.9 m，應力升高區范圍為15 m。

2.2 數值模擬

通過F LAC3D數值模擬軟件，對陷落柱周邊應力分布進行驗證模擬，給出陷落柱應力分布4個區域。

圖2 中，（a）、（b）云圖中同一水平線上的柱體內應力值均低于柱體外圍，垂直應力柱體內外差異較大，而水平應力值柱體內外差異則較小；垂直應力從模型的頂部往下應力值依次增大，柱體邊界由內到外應力逐漸增大，形成應力升高區，隨著距離的增大，柱體邊界外圍巖體應力值趨于平緩，恢復原巖應力。由此驗證了陷落柱體圍巖塑形應力降低區、應力升高區及原巖應力區的存在。

圖2 正楔形陷落柱垂直與水平應力云圖

3 過陷落柱巷道支護技術

3.1 陷落柱區域巷道破壞特征

通過現場調研、實測，分析，得出陷落柱區域內巷道破壞特征：①變形的破壞方式較多，有破碎帶巷道頂板下沉、巷幫片幫等；②巷道變形量大，巷道圍巖應力釋放速率快[5]，且處于較長時間，其主要表現在巷道頂底板移近速度、巷道兩幫移近的速度，且巷道圍巖自穩時間較長；③陷落柱構造破碎帶圍巖變形破壞表現出很強的各向異性，巷道圍巖的變形及破壞無對稱性，無法做出精準的預測；④陷落柱松散圍巖與支護體相互作用后，破碎帶圍巖變形不會在短時間內停下來，圍巖變形表現出較強的流變性。

3.2 陷落柱區域巷道支護技術

以43101巷工作面穿過D X214陷落柱為例，說明巷道穿越陷落柱時的支護。

1）注漿加固圍巖：采用的為聯邦雙液注漿材料，2種漿液混合后凝固時間為3～10 min，凝固后1～8 h內漿液巖體強度可達到8～15 MPa以上，注漿的壓力選取10～15 MPa，為了能使漿液完全擴散到破碎孔隙中，超前預注漿加固巷道頂板采用拱形布孔，形成拱形殼體圍巖結構，頂板、兩幫及底板鉆孔離巷道輪廓線均為0.5 m，在工作面迎頭距離頂板下0.5 m處，布置一排5個鉆孔，間距1 m，兩側孔外斜角度7°、仰角4°，中間孔仰角10°，水平布置；在工作面迎頭中部布置一排3個鉆孔，兩側孔外斜角7°，中間孔0°，水平布置無傾角；在距離工作面迎頭底板往上0.5 m處布置一排3個鉆孔，兩側孔外斜角6°、傾角-6°，中間孔0°、傾角-10°。

注漿采用分段前進式超前注漿施工工藝。分段前進式深孔超前注漿是鉆、注交替作業的一種注漿方式，按照設計要求，每循環加固長度為20 m，后續注漿段均預留2 m注漿巖層，用來保障鉆孔的施工安全。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 超前注漿施工剖面圖

2）巷道支護參數：頂板采用2-0-2方式布置6.3 m錨索，錨桿間排距均為1.0 m；巷幫采用間距0.9 m、排距1.0 m的錨桿支護，具體參數見圖4。

圖4 43101巷原始支護參數

4 礦壓觀測

圖5為43101巷過陷落柱圍巖變形觀測的2個測站數據，測點1、2巷道圍巖變形規律基本相同，支護初期巷道頂板下沉量、兩幫移進量均較大且變形速率較快，在24 d時圍巖變形基本趨于穩定，頂底板移近量穩定在191 mm，兩幫移近量穩定在121 mm。表明超預注漿+錨索網支護+架棚支護方案能夠使巷道安全地通過陷落柱構造帶，效果較好。

圖5 43101過陷落柱區域巷道圍巖變形量觀測

5 結語

通過理論分析、數值模擬得出陷落柱區域巖體應力特征，即應力分布的4個區，破碎區、塑性應力降低區、彈性應力升高區、原巖應力區，根據長平礦3號煤圍巖力學參數得出長平礦陷落柱區域巖體必然存在上述4個區域，同時給出了塑性區半徑的理論計算公式。

通過現場調研，給出了長平礦巷道過陷落柱圍巖破壞特征，利用超前預注漿技術，以及合理的錨網索支護，有效提高了過陷落柱巷道圍巖穩定，為煤礦安全生產提供了技術保障。