掘进巷道过陷落柱安全技术研究

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掘进巷道过陷落柱安全技术研究

吴长擂

（山西长平煤业有限公司，山西 晋城 048006）

摘 要

本文针对长平煤矿5303掘进巷道中陷落柱问题进行了深入剖析，分析了原施工设计方案及存在的问题，提出了

合适的安全保护技术措施，通过锚注+注浆+架设钢棚的联合支护方案，有效地提高了巷道过陷落柱期间的稳定性和安全系数，提高了巷道掘进效率，确保煤矿的安全生产。关键词

掘进 巷道 陷落柱 防护措施

中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2020.02.057

Study on Safety Technology for Tunneling Roadway Passing Collapse Column

Wu Chang-lei

(Shanxi Changping Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Jincheng 048006)

Abstract: This paper makes an in-depth analysis of the problem about collapse columns in the 5303 excavation roadway of Changping Coal Mine, analyzes the previous construction scheme and existing problems, and puts forward appropriate technical measures for safety protection. Through the joint support scheme of bolt injection + grouting + steel shed erection, the stability and safety coefficient of the tunnel during the period of passing through the collapse column are effectively improved, the efficiency of tunnel excavation is improved, and the safety production of the coal mine is ensured.Keywords: driving roadway collapse column protective measures

陷落柱在我国煤矿开采中为常见的地质体，给煤矿的正常开采带来了巨大影响[1-3]。在实际生产中，陷落柱对煤矿的危害主要是破坏了煤层的连续性，影响了煤矿采掘施工。由于需要绕过陷落柱，放缓了掘进速度，同时要求提高巷道支护工作面安全系数技术难度，造成回采工作中的放弃开采，并影响到资源量的开发[4-5]。一般来说，由于陷落柱分布情况复杂，岩体松散，工作面地应力叠加，常常需要合适的支护方案。本文针对长平煤矿5303巷道掘进过程中遇到DX70陷落柱的问题，提出了掘进中存在的问题和安全防护措施，以确保煤矿的安全生产。

约417m，短轴约140m，主要以粗粒砂岩、泥岩夹碎石为主，含有少量煤屑，相对干燥。陷落柱与煤层接触边缘煤层松软，见有风化现象，掘进过程中预计通过128m。为确保施工安全，需要对此区段进行安全支护。

2 过陷落柱中的难题

2.1 原施工设计方案

过巷道初期，结合矿井实际地质情况和生产实际，提出了三套过陷落柱的方案：

方案一：直接推过。在距离预测陷落柱位置30m时，采取边探边掘的方法对该陷落柱进行打钻探查，根据陷落柱的准确具体位置及水文地质特性，直接推过。此方案不会浪费煤炭资源，但是该方案工期较长，对采煤工作有影响。

方案二：掘进配巷甩陷落柱。施工探巷探测陷落柱的准确具体位置，并施工绕道绕过陷落柱。此方案工期短，相对安全，对采煤工作影响小。缺点是成本相对较高，会损失部分资源。

方案三：重新掘进，更换工作面。该方案安全系数高，但是工期较长，资源损失量大，易造成采

1 概况

长平煤矿位于太行山西侧南端，主要开采3#煤层。在5303中部底抽巷掘进过程中，该巷道已经掘进50m，预计在80.9m处，揭露DX70陷落柱。根据矿井地质预测资料，该陷落柱呈椭圆形，长轴

收稿日期 2019-08-31

作者简介 吴长擂（1990-），男，2012年7月毕业于太原理工大学土木工程（地下工程方向）专业，本科，土建助理工程师，现任长平公司普掘二队副队长。

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2.2 存在的问题分析

根据矿井地质资料，结合实际遇到陷落柱的具体情况，确定执行方案一，直接通过陷落柱，但在掘进过程中主要面临的问题有：

（1）在通过DX70陷落柱期间，巷道顶板和帮围岩为陷落柱墙体破碎混合岩体，整体稳定性相对较差，护帮锚只能固定在松散破碎的岩体中，受应力的影响较大，支护效果不稳定；

（2）对巷道顶板与帮之间的三角煤柱的支护效果差，在通过陷落柱时容易造成垮落；

（3）巷道顶板应力集中，原顶板锚杆和钢带维护断面较小，对顶板的支护效果不及预期，钢板常出现断裂，并发生网兜和冒落现象。

3 过陷落柱安全技术

过陷落柱时除采用科学合理加固措施保证掘进面围岩体稳定以外，尚需采用适当的掘进工序工艺，从而与加固措施相辅相成，达到最佳的过陷落柱效果，减少过构造所带来的损失。根据5303巷道的实际情况，主要采取以下安全技术来进一步保证安全。

（1）加强矿压观测

通过过陷落柱期间顶板离层仪、顶板锚杆（索）压力表、围岩位移等数据观测、记录，定量分析围岩的稳定性，并做出预警预判。重点观测顶板及两帮位移量，对顶板条件不好地段及时采取补强支护措施。

（2）加强顶板支护

由于陷落柱周围围岩较为破碎，给顶板管理带来很多的问题，而顶板又是决定工作面安全性的主要因素，因此，通过陷落柱时应特别注意加强顶板的支护。在支护设计合理的前提下，确保临时支护可靠、有效，并严格按照安全技术措施要求施工锚杆（索），保证支护施工达到质量要求。

（3）架棚联合支护

过陷落柱期间，采用锚注+架棚联合支护，并根据现场围岩条件及时调整间排距。当顶锚索预紧力能够达到200kN，顶帮锚杆预紧力矩能够达到300N.m时，棚距1m，棚滞后工作面不大于10m；当顶锚索预紧力介于150~200kN之间，帮锚杆预紧力矩介于200~300N.m之间时，棚距缩小为0.8m，棚滞后工作面不超过5m；当顶锚索预紧力小于150kN或顶帮锚杆预紧力矩小于200N.m时，棚距

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缩小为0.8m，棚滞后工作面不超过1m，防止冒顶事故发生。

4 支护方案设计和效果分析

4.1 支护方案设计

在对原来设计方案和问题研究的基础上，为能够安全、快速、优化地通过陷落柱，提出了注浆、架设钢棚的联合支护措施。

（1）注浆支护。在5303巷道掘进至90m处时，在工作面施工一排注浆孔，共8个，钻孔间距2m，钻孔深度10m，与顶板呈35°角进行布置；巷道两帮布置钻孔4个，间距为1m，钻孔深度为6m。采用马丽散混合液进行注浆。若在注浆期间发现有渗漏现象，应立即停止注浆，并封堵钻孔处理。相邻两排注浆孔距离为1.1m，依次直到通过陷落柱。

（2）梯形钢棚补强支护（图1）。采用净宽4200mm长的12#工字钢梁，Φ18×880mm金属拉杆，U25#可伸缩腿，上腿长1800mm，下腿长2000mm，上棚腿与下棚腿搭接长度不小于400mm，下棚腿要立在巷道底板硬底上。棚腿与底板夹角为82°，棚腿扎角450~550mm，1000mm垂线量得的扎角为140mm，允许偏差±17mm。棚距保持1.0m，采用“1梁2柱”形式。采用长1200mm×宽150（100~150）mm×厚50（30~50）mm的木背板，顶板不平整部分，应使用柱帽、木楔等材料背紧，确保棚梁接顶严实。所架棚梁接顶困难，应在棚梁上方架设“井”字型木垛，以保证对顶板的支撑有力、有效。

水平巷道金属棚前倾后仰±1°，即在棚腿前挂1m垂线末端至棚腿间距允许误差±17mm；倾斜巷道金属棚必须有一定的迎山角（迎山角指倾斜巷道中支柱与巷道顶底板垂线之间向上倾斜的角度，一般为巷道倾角的1/8~1/6，最大不超过8°）。如表1所示。

4.2 应用效果分析

5303巷道在经过DX70陷落柱时，采用了锚注+注浆+架设钢棚的联合支护措施，对破碎顶板和巷帮进行了有效防护，确保了矿井的安全生产。

（1）通过钻孔注浆支护以后，显著提高了岩体的承载力和稳定性。通过试验测试，注浆后的岩体单轴抗压强度由原来的18MPa提高到了60.3MPa，降低了危险系数。

（2）通过钢棚补强支护，防止了因锚杆支护

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不利而产生的局部垮落，提高了顶板稳定性和安全性，有效防止了顶板冒落和垮落事故的发生，提高了掘进效率。

（3）在巷道经过DX70陷落柱期间，设计了3m和6m共2个检测点。通过近30d的观测，2个基点位移量如图2所示。3m处基点位移量随着时间的增大而逐渐增大，并在约27d时达到最大位移量80m，并由此保持相对稳定；而6m处基点位移量仅不到10m，并随着时间的变化而不变。因此，本次支护方案维护效果明显。

表1 架设钢棚支架与巷道倾角关系

巷道倾角支架迎山角

5°~10°1°~2°

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5°~10°1°~2°

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图2 不同基点位移与时间关系

5 结论

本次对长平煤矿5303巷掘进过程中遇到DX70陷落柱的问题进行了深入剖析，对初步设计的安全防护方案进行了优缺点探讨。根据实际地质情况和矿井生产需求，设计了注浆+架设钢棚的联合防护措施。经过实地检验证明，该方案的支护效果明显，

有效提高了围岩稳定性，加快了巷道的掘进进程，保障了煤矿的安全生产，达到了安全防护目的。

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图1 巷道架设钢棚支护图（mm）

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使得钻孔发生变形破坏，从而耗散煤体内积聚的弹性能，起到卸压的效果。

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3 结论

从能量角度来看，钻孔施工过程中，钻孔周边发生塑性破坏，起到了耗散煤体中弹性应变能的作用，使得卸压区域的弹性应变能降低，从而降低了该区域的冲击危险。

根据现场数据分析，大直径钻孔在施工过程中，其煤粉量变化、吸钻、卡钻现象及煤炮声响都反映了煤体内的应力变化，因此，通过分析其施工过程中的表现情况，确定沿空巷道的应力峰值在9m深。该研究结论可以作为类似存在冲击危险性煤层开采的参考依据。

【参考书目】