姬剑中

（晋能控股煤业集团首阳煤矿，山西 晋城 048000）

陷落柱是在长期地质构造作用下形成的地质体，由于陷落柱与周围岩体的物理力学特性存在较大差异，且陷落柱内常含有地下水和瓦斯[1-2]。在陷落柱区域开采煤炭资源容易引发突水、瓦斯涌出、冒顶等安全事故[3]。陷落柱严重影响了采掘生产效率，给煤矿安全、高效开采带来了很大的困难[4]。因此，有必要开展掘进工作面过陷落柱安全掘进技术研究与应用，以期提高陷落柱影响区工作面的掘进效率和安全性，为保障矿井安全生产提供技术保障[5]。

晋能控股首阳煤矿位于山西晋城高平市境内，地理位置优越，交通便利。首阳煤矿15203工作面回风顺槽在推进至258～327 m时遭遇18#陷落柱。地质探测资料表明，该陷落柱长轴、短轴长度分别为99 m和69 m，位于工作面开采范围内的长度约为44 m。陷落柱中的岩层受F10断层作用，较为破碎，稳定性差，严重影响掘进工作面的安全。同时，易造成工作面采掘设备损坏，亟需制定相应的安全施工技术和措施，保证工作面顺利通过陷落柱影响带。

2.1 工作面过陷落柱综合防治水技术

工作面三带即工作面开采后形成的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，根据三带高度和工作面与陷落柱之间的位置关系，可将陷落柱分为“三带以内型”和“三带以外型”，如图1所示。不同类型的陷落柱可采用不同的防治水技术。通常来说，“三带以内型”陷落柱由于与工作面接触范围较广，对工作面的影响和威胁也较大，针对这种类型的陷落柱常采用综合防治水措施。首阳煤矿15203工作面回风顺槽遭遇的18#陷落柱属于“三带以内型”陷落柱[6]。

图1 陷落柱类型

陷落柱影响区域掘进工作面的综合防治水技术主要措施有：首先，采用先进的地质勘探方法提前对陷落柱区域地质构造和水力联系进行探查，分析水力网络流动规律，为陷落柱水害治理提供依据。其次，提前对工作面采取探放水措施，探放水钻孔布置方式一般为均匀布孔，施工放水钻前必须进行耐压试验，并编制专用的探放水计划，设置临时水仓，确保排水畅通。再次，建立完善的矿井排水系统，并加强排水设备和人员管理，整体提高矿井的防治水能力，保证矿井安全、高效生产。

2.2 工作面过陷落柱支护技术

陷落柱区域内煤岩体较为破碎，掘进工作面通过该区域时，需采用加强支护技术。目前，煤矿中常用的过陷落柱加强支护技术包含锚网支护技术如图2（a）所示和工字钢棚支护技术如图2（b）所示。锚网支护技术可对围岩破碎区进行有效支护，当工作面穿越陷落柱区域时，采用锚网支护来保证作业的安全，减小陷落柱对工作面的影响程度，保证开采条件达到相应的要求。锚网支护需按照先支护顶板，后支护两帮的顺序开展，以使支护效果达到最佳。若陷落柱区顶板围岩压力较大，采用锚网支护不足以保证工作面安全时，可采用工字钢棚支护技术。常采用高强度矿用工字钢搭建工字钢棚，工字钢棚具有较好的支护强度，可有效控制围岩形变。在搭建工字钢棚时需注意对工字钢位置进行精准定位，同时，在钢棚上加装防滑器，保证支护结构的稳定性和牢固性。钢棚搭建完成后，需仔细检查搭建质量，并对施工现场进行清理。

图2 陷落柱区掘进工作面支护方式

2.3 掘进工作面过陷落柱技术

工作面掘进技术对围岩的稳定性具有十分重要的影响，工作面穿越陷落柱时围岩本身稳定性较差，此时，需采用适当的掘进技术，降低掘进对围岩的影响，保证掘进工作面的安全。工作面过陷落柱掘进技术包括掘进参数优化、围岩注浆加固与监测等。掘进参数优化是在综合评估陷落柱区地质条件的基础上，对原有的掘进参数进行调整，如减小进尺速度、降低掘进高度等。特别是当陷落柱岩层强度较大，机械化综掘进设备无法通过时，可变更掘进方式，采用炮掘技术快速通过。围岩注浆加固与监测是采用注浆加固技术对工作面内陷落柱区域围岩进行加固，提升围岩的稳定性。同时，采用实时监测手段，选取合适的点位，安装围岩位移监测站，评估围岩的稳定性，为进一步优化掘进参数提供参考。

3.1 安全掘进技术应用

根据首阳煤矿15203工作面回风顺槽在掘进至258～327 m时遭遇18#陷落柱的实际情况，设计采用“直接截割+爆破落煤”相结合的掘进方法。18#陷落柱在15203工作面的位置如图3所示。

图3 18#陷落柱在15203综采工作面的位置

当工作面进入陷落柱范围内时，降低截割速度。若截割的煤岩体硬度不大则直接通过。当遭遇硬度较大的岩石时，若发现掘进机负荷上升明显，机身抖动，则需停止截割，采用爆破落煤方法，对陷落柱段围岩进行松动爆破。爆破时需注意，采用打浅眼、少装药的原则，爆破循环进尺应小于2 m。通过全岩段时，炮眼采用三排五花眼布置方式，炮眼间距控制在1 m以内，单个炮眼装药量小于0.4 kg，同时起爆炮眼数量不应大于5个。15203工作面回风顺槽过18#陷落柱的炮眼布置如图4所示。

图4 过陷落柱炮眼布置

由于15203工作面回风顺槽遭遇18#陷落柱后，顶板围岩较为破碎，结合工作面实际地质条件和工作面过陷落柱支护技术的需要，确定15203工作面回风顺槽穿越陷落柱区域采用“高强预应力锚杆+钢带+锚网+工字钢棚”的支护方法。其支护参数为：顶板支护采用φ20 mm×2 200 mm高强预应力锚杆，锚杆间排距为1 100 mm×900 mm。工字钢棚采用11#矿用工字钢加工，锚网采用规格为2 300 mm×6 000 mm的金属菱形网，钢带规格为W-4 300 mm×280 mm×3 mm的5孔钢带。两帮支护所采用锚杆规格与顶板相同，锚杆间排拒为800 mm×900 mm，钢带规格为W-2 700 mm×280 mm×3 mm的4孔钢带。

3.2 效果验证

为验证15203工作面回风顺槽过18#陷落柱所采用的掘进技术及支护技术效果，采用FLAC3D软件建立数值模拟模型，对围岩变形情况进行分析。模拟的15203工作面回风顺槽垂直位移云图如图5所示。从图中可以看出，15203工作面回风顺槽掘进后巷道顶板中部的垂直位移量最大，约为25.12 mm，巷道底鼓量次之，约为10.36 mm。可见，在15203工作面回风顺槽采用“高强预应力锚杆+钢带+锚网+工字钢棚”的支护技术，围岩变形量较小，可安全高效的通过陷落柱影响区，有效提高掘进工作面生产效率[7]。

图5 15203综采工作面回风顺槽垂直位移云图

1）结合首阳煤矿15203工作面回风顺槽在推进至258～327 m时遭遇18#陷落柱的工程背景，从综合防治水技术、支护技术和掘进技术等方面提出了工作面过陷落柱安全开采的技术措施。

2）基于工作面过陷落柱安全掘进理论，提出在15203工作面回风顺槽采用“高强预应力锚杆+钢带+锚网+工字钢棚”的支护技术通过陷落柱影响区，并在FLAC3D中分析了技术应用效果，结果表明，采用以上支护技术后，围岩变形量较小，有效保证了巷道的安全使用。

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