二水平胶带大巷陷落柱影响段底鼓原因分析及控制

张 军

（阳煤集团平定裕泰煤业有限公司，山西 平定 045200）

煤矿开采形式及难易程度直接取决于该矿井所处的地质条件及不同复杂地质构造的存在，其中，陷落柱由于其应力环境复杂，且具有形态不规则、隐伏较好、危害较大、突发性强等特点，在矿井掘进巷道通过陷落柱时，易导致陷落柱影响段巷道围岩发生变形破坏严重、顶底板导水通道急增的现象。本文以阳泉煤矿平定裕泰煤业为研究背景，该矿井二水平胶带大巷受XM193陷落柱的影响，部分巷道底鼓吸水膨胀变形较大。采用室内试验、现场勘察及监测等手段，分析了矿井陷落柱分布及特征，并利用X射线衍射试验分析了巷道底板泥岩成分含量，提出了高强锚网索+帮底注浆锚杆+混凝土喷层的综合底鼓控制方案。经试验段巷道应用后的变形监测结果得知，底鼓得到了有效控制。

1 工程概况

阳泉煤业（集团）平定裕泰煤业位于阳泉市平定县南后峪村一带，该矿区井田位于太行山山脉中段西麓、沁水板拗太原西山-盂县板坪构造区中南部，总的地势为西南高北东低，倾角2°～6°，为一单斜构造，地表及井下共发现陷落柱15个，未发现断层和岩浆岩侵入。地形最高点位于西南部山梁上，标高1128.52m，最低点位于东部的阳胜河河谷，标高881.00m，最大相对高差247.52m。

该井田现回采15号煤层位于太原组下段中部，上距9号煤层81.10m，煤层厚度4.08～6.73m，平均5.39m，为井田稳定全区可采煤层，一般含2～4层夹矸，结构复杂，为特低灰-低灰、低硫-中硫分、特低磷-中磷分、特高热值无烟煤。该煤层顶板为泥岩，局部为砂质泥岩、细砂岩；底板为泥岩、砂质泥岩。全井田15号煤为一个采区，涉及开拓巷道有二水平轨道大巷、胶带大巷、回风大巷。巷道参数如表1所示。

表1 开拓巷道参数

2 陷落柱分布特征

井田内现已发现的陷落柱共15个，地表出露6个，较大陷落柱12个，井田内均有分布，如表2所示。陷落柱规模大小不一，一般为圆形、椭圆形，大者长轴可达450m，小的长轴不足30m，陷壁角一般在80°～85°之间。陷落柱对煤层的破坏影响范围自陷断边界向外一般不超过10m，但陷落柱对煤层开采有较大影响。

表2 较大陷落柱一览表

据三维地震勘探结果，二水平胶带巷（岩巷）距北翼正头联络巷67m处有XM193陷落柱发育，距北翼正头联络巷430m处有XM194陷落柱发育，距北翼正头联络巷570m处揭露有XM198陷落柱，如图1所示。该巷道受XM193陷落柱的影响，在靠近陷落柱的区域发生巷道底鼓破坏严重的现象。

3 陷落柱对底鼓影响分析

3.1 泥岩X射线试验

在二水平胶带大巷受XM193陷落柱影响段进行现场底板泥岩取样，之后通过X射线衍射试验分析巷道底板泥岩层的成分组成，以揭示底鼓破坏的根本原因。如表3所示，为X射线衍射试验得出的巷道底板泥岩层矿物成分含量分析。其中，方解石含量比重最大，占到54.4%；其次是黏土类矿物成分占到22%，其中蒙脱石含量达到16.1%，具有较强的吸水膨胀性，是导致底板变形的内在因素。

图1 胶带巷底鼓破坏区域位置图

表3 底板矿物成分含量一览表（单位：%）

3.2 陷落柱影响分析

陷落柱的存在导致其围岩塑性区内节理、裂隙发育异常，煤岩破碎加剧，从而导致巷道围岩渗透性增强。在巷道掘出后，陷落柱与巷道间易形成承压水头导致底板渗水，为蒙脱石膨胀创造了条件。因此陷落柱的存在是底板变形破坏的直接原因。

据矿井水文地质资料得知，该矿以煤层顶板裂隙渗水、陷落柱渗水为主，煤层充水通道主要为煤层顶板以上岩石的裂隙、陷落柱及开采后形成的导水裂隙带，尤其陷落柱沟通地下水，是矿井充水的主要因素。

4 底鼓控制方案

针对胶带大巷受陷落柱影响导致的底板吸水膨胀、底鼓严重的问题，需在两个方面进行支护优化：一是提高巷道底板岩石力学强度；二是减小巷道两帮对底板的挤压。因此，综合考虑采用高强度锚网喷+滞后注浆锚杆支护的巷道加固方案。

4.1 加固方案

根据胶带大巷现场考察结果以及XM193陷落柱影响巷道段范围，确定巷道需加固控制底板的长度约为100m，具体加固控制方案如下。

（1）锚网喷支护

采用Ф22mm×2200mm顶板及两帮高强锚杆（ 间 排 距 700mm×700mm）+Ф22mm×7000mm顶板高强锚索（间排距1400mm×2100mm，五花居中布置）+Ф43mm×2000mm套管式锚杆（排距700mm，向下倾斜45°）+全断面铁丝网（网孔规格30mm×30mm）+全断面喷射混凝土（喷射强度等级为C20，喷射厚度盖过金属网）联合支护。

（2）滞后注浆锚杆

在高强锚网喷支护的基础上，实施滞后高压锚杆注浆技术进行补强支护。具体布置方式为：巷道两帮采用注浆锚杆补强支护，锚杆布置间排距为1400mm×2100mm，其中最上面和最下面的锚杆均向外侧呈倾斜25°布置。此外，增加底板锚杆支护，底板锚杆2根，排距2100mm，单排布置分别与巷道中心线呈对称分布，单侧距巷帮1100mm，倾斜角度为60°。如图2所示。

选用硅酸盐水泥进行锚杆滞后注浆，单孔注浆压力3MPa，注浆时间0.5h，滞后时间为初次掘进支护20d后。注浆锚杆安装完毕后，再次进行两帮及底板二次喷射混凝土补强支护，喷射厚度50mm。

图2 注浆锚杆布置图

4.2 治理效果监测

在胶带大巷陷落柱影响段采用上述控制方案后，进行试验段巷道稳定性测试监测，监测为期3个月，绘制成曲线如图3所示。可见，在原支护条件下，巷道底板发生持续变形，最大底鼓量达到226mm，监测后期巷道底板仍有继续变形的趋势；经底板控制治理后，底板变形较为缓慢，在监测40d以后变化不再明显，40d时的巷道底鼓量为41mm，80d时的巷道底鼓量为58mm，较原支护方案时降低了74.3%，说明底板控制效果明显。

5 结论

（1）胶带大巷泥岩底板成分中，方解石含量占54.4%，黏土类矿物成分占22%，且蒙脱石占16.1%，其具有较强的吸水膨胀性，是导致底板变形的内在因素；

（2）巷道掘出后，顶板岩层裂隙渗水和陷落柱渗水是巷道主要的充水因素；

（3）采用锚网喷+滞后锚杆注浆的方法，有效控制了巷道底鼓变形，据现场监测分析，加固方案后的巷道底鼓量较原方案降低了74.3%。

图3 巷道底鼓变形监测结果