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郝兵元（博士、副教授）太原理工大学矿业工程学院2010年9月21日阳煤集团三矿扩四区K8403工作面进风巷揭露一陷落柱X1（44×23m），在工作面进风巷掘进期间曾发生顶板溃泄现象，一度导致无法掘进，严重影响掘进工程进度并造成安全隐患。当时采用了绕巷施工到陷落柱的另一端，并用TWK混凝土外加剂超前预注浆，对陷落柱巷道顶板范围内局部进行了加固，陷落柱内的破碎岩体局部固化，起到了加固巷道顶板的作用，才使得掘进巷道勉强通过形成贯通。但在工作面整体通过时，揭露陷落柱的面积更大，由于柱体处于工作面的端部应力增高区，工作面回采接近时更受到超前支承压力的影响，陷落柱在高应力的作用下，稳定性更差，同时可能伴生有涌水、瓦斯、溃顶、陷底等事故的发生。因此，研究陷落柱的构造特性及对顶底板影响的力学机理，陷落柱的加固的处理部位与范围，工作面通过陷落柱的工程措施，以及其安全性和可行性，保证回采工作顺利进行，对矿井的安全高效生产具有重要意义。根据研究工作的需要，为了详细了解K8403工作面进风陷落柱X1周边围岩的强度及力学特性，在陷落柱附近分别对顶底板进行了钻孔取样工作，并于8月19日委托水利部山西水利水电勘测设计研究院岩土试验中心进行了六组岩层77个试样的加工及力学性能检测，8月29日拿到报告，取得了岩性参数成果，作为本方案设计中选用参数的依据。需要指出的是，在采取岩样的过程中，由于钻孔取芯成芯率很低，不能满足要求，最终大部分岩样取自进入高抽巷的穿层巷道中，岩样受巷道掘进过程中的影响，致使实验结果指标偏低，在实际计算过程中要考虑这方面的影响。（检测报告见附件）加工岩样试件图试验依照《水利水电工程岩石试验规程》（中华人民共和国行业标准SL264-2001），第5章“岩块力学性质试验”相关规定进行。所取岩样分别对应于柱状图的15,14,13,12,11,10号岩层K8403工作面陷落柱X1位置图K8403工作面进风巷掘进过程中，揭露陷落柱X1（44×23m），掘进期间柱体内曾出现涌水现象，且出现陷落柱溃泄，致使无法正面通过，对生产造成较大影响。最后采取先施工绕巷，注浆加固，返头掘进才安全贯通。1）陷落柱体内组成特征:陷落柱内岩性复杂，棱角分明，滚圆度差，形状不规则，排列无规律，杂乱无章，常被一些泥质物充填胶结，但胶结性差，柱体内发现有淋头水出现。2）陷落形态：平面形态：一般多呈椭圆形、圆形、浑圆形、长椭圆形，也有极个别奇形怪状和尖棱状，X1为椭圆形。断面形态：总的形态是呈上小下大圆锥状的柱体，也有个别呈上大下小的，主要是因为上部围岩为松散的沉积物或较软的泥岩及煤层所致。陷落角随塌陷高度而变化，一般上部较小，而下部较大，在70度以上。3）陷落柱轴线形态：岩溶陷落柱中心轴在各煤层平面上投影并不完全重叠，而有些错位，也就是说中心轴并不是垂直的直线，而发生偏斜和弯曲。柱体中心轴形态表现为歪斜、弯曲、扭转形态。4）柱面与围岩的接触关系：柱面与煤层接触面除少数为锯齿状外，一般呈不规则的曲线状，且被一层光滑的泥质物质所充填，厚度多在0.02—0.05m，这层泥质物质是陷落柱的岩块与煤层接触的空隙被水溶解的泥质物所充填，而后又经构造运动的挤压发生剪切滑动形成的。接触面附近围岩一般无牵引现象，只是煤层顶底板及煤层破碎，裂隙发育，但在个别较大的陷落柱内，陷落岩块比较完整或呈整体下陷，强大的岩块自身重力对煤层的顶底板产生牵引作用，致使煤层顶底板向柱体中心倾斜，岩层产状发生变化，其倾斜度最大可达17—20度。X1属于前者。一般危害破坏可采煤层，减少煤炭储量影响正规采煤，制约机械化作业提高了掘进率，降低矿井效益陷落柱对煤矿安全生产造成影响X1对本工作面存在的潜在危害透水：工作面在进风巷遇陷落柱X1前，先后施工5个放水孔，疏放15#煤层老顶四节石灰岩裂隙水和柱体内积水5896m3。在陷落柱内掘进期间，一直淋头水不断，并在掘至12m时出现溃泻现象，表明柱体与含水层有水力联系，存在透水隐患。工作面顶板冒落压架陷落柱附近煤层顶板一般较为破碎，经揭露的陷落柱内的岩石强度极低，曾经发生溃泻至使回风巷在掘进过程中无法通过。因此在工作面通过时，存在柱体内岩块承载力降低而发生溃泻冒顶的可能性，加之陷落柱又处在工作面端头应力集中增高区域，更容易发生冒顶、片帮及溃泻压架事故。瓦斯事故高瓦斯矿井在接近陷落柱处工作面瓦斯涌出量可能急剧增大，管理疏忽易发生瓦斯事故。底板下陷影响支架通过陷落柱附近及陷落柱内，与煤层底板相同标高范围内柱体较为破碎和松软，支架通过时受顶板的强大压力作用容易下陷，支架无法对顶板提供足够的支撑力，导致顶板状况恶化，而且移架困难，极易发生压架事故，严重影响生产。（依据K8403工作面规程第四章顶板控制中支护设计部分）根据邻面K8404工作面现场实测，预测本面初次来压强度为360KN/m2，周期来压强度为350KN/m2，K8403工作面合理支护强度选取540KN/m2。（依据K8403工作面规程第四章顶板控制中支护设计部分）进风超前段顶板载荷：（动压影响一般取静压时的2～4倍，这里取3）Q进=3×Q顶=3×45=135kN/m2Q顶—静压情况下顶板载荷，kN/m2；（一）加固范围与强度计算图7.1.2陷落柱最大宽度处普氏免压拱模型示意图陷落柱某一水平切面的垂直应力只与柱体的容重、内摩擦角、侧压系数以及柱体直径有关，与该平面的埋藏深度无关。工作面与陷落柱距离影响陷落柱柱体及其周围的应力分布状态：距离较近时受采动影响，陷落柱柱体及其围岩应力会迅速增加。根据普氏地压理论，在拱ABC内的均布顶压为：式中：q—免压拱内的均布顶压，kN/m2；γ—顶板岩石平均容重，kN/m3，取25；f—普氏岩石坚固性系数，f=Sc/10，Sc为岩石单轴抗压强度（MPa）；a—拱半径，为AC线段一半长。要想保证工作面通过陷落柱段时支架及巷道支护的安全性，必须能够保证陷落柱段的顶压不超过进风巷超前支护段的顶板动压载荷135kN/m，同时也满足了工作面支护强度的要求：则必须使陷落柱体内的岩体普氏硬度系数：也就是能够使陷落柱体内的岩体抗压强度：在此条件下，稳定平衡拱高：为了保证能够形成免压拱，在拱高的两倍范围内必须岩性强度一致，这样就要求从拱脚起算向上2b=10.82米范围内必须加固为具有同一强度特性的岩体才能满足要求，加固体的单轴抗压强度Sc≥12.8MPa，因此加固范围确定为进风巷道拱肩以上10.82米，也即煤层顶板以上6.12米，为了便于施工，近似取煤层顶板以上6米为加固边界，也即图7.1.1所示的C值为6m。为了验证力学推导得出加固范围结论的正确性，通过数值模拟的方法来进一步加以论证。建立如图7.2.1所示的计算模型。其尺寸为450m×200m，陷落柱直径为44m，高度为160m，采场尺寸为5m×3m。加固厚度＝底板1m+煤层厚度6m+顶板加固厚度，确定煤层上方顶板的加固厚度是关键。陷落柱加固体采场图7.2.1数值计算模型图7.2.2水平方向应力等值线图图7.2.3垂直方向应力等值线图图7.2.4xy方向剪应力等值线图7.2.5工作面前方15米范围内应力曲线图7.2.6工作面顶板5米范围内应力分布曲线图7.2.7工作面底板1米范围内应力分布曲线从图中可以看到：工作面最大水平方向压应力为7.30MPa，垂直方向最大压应力为16.5MPa，最大剪应力为1.35MPa。顶板内0.6米和1.4米深度范围内分别为水平拉应力区和垂直拉应力区，最大水平拉应力为1.75MPa，最大垂直拉应力为4.36MPa。底板内0.6和0.7米深度范围内分别为水平方向拉应力区和垂直方向拉应力区，最大水平拉应力为6.83MPa，最大垂直方向拉应力为5.01MPa。从图中可以看到：工作面最大水平方向压应力为7.30MPa，垂直方向最大压应力为16.5MPa，最大剪应力为1.35MPa。顶板内0.6米和1.4米深度范围内分别为水平拉应力区和垂直拉应力区，最大水平拉应力为1.75MPa，最大垂直拉应力为4.36MPa。底板内0.6和0.7米深度范围内分别为水平方向拉应力区和垂直方向拉应力区，最大水平拉应力为6.83MPa，最大垂直方向拉应力为5.01MPa。当工作面加固厚度达到6m时:从图中可以看到：工作面最大水平方向压应力为7.17MPa，垂直方向最大压应力为16.5MPa，最大剪应力为1.06MPa。顶板及底板内均无拉应力区。综上所述，煤层上方加固厚度为1m，2m，3m，4m，5m时，工作面上方岩体内均出现垂直方向和水平方向的拉应力区，而且拉应力都较大；当煤层顶板上方加固厚度达到6m时，其顶低板岩层中的拉应力区消失，在各个方向均表现出受压状态，该状态对工作面支护极为有利。同时，工作面表面的最大垂直方向压应力为16.5MPa，另外在液压支架的支持作用下，此处的压应力将远低于这一值。据此，除加固底板（1m）和煤层所在位置的厚度（6m）外，在煤层上方再加固6m，与理论计算相一致。因在K8403进风巷穿过X1陷落柱时已经遭遇了溃泻阻碍掘进工程推进的前车之鉴，在K8403工作面采完以后，马上面临K8402工作面的回采巷道开掘和回采，X1断层在该工作面的覆盖面积更大，同时受到了K8403工作面回采动压的破坏，影响较K8403更甚。K8402工作面平巷在采空区侧保护煤柱宽为10m，煤柱穿过陷落柱约34m（29~39m）左右，这段距离内全为松散的陷落体，强度难以保证，必须在K8403工作面通过以前采取措施对其加固和支护，否则将失去对煤柱进行加固的作业环境，会对下一区段平巷的开掘和维护带来严重隐患。根据普氏免压拱模型示意图所示，对于拱的两帮也应与柱体内的加固陷落体具有同等的强度才能满足模型的成立条件，因此靠近煤柱一侧也相应加固。加固的范围应考虑下一区段回风巷的位置。下一区段平巷K8402回风将在陷落柱体内通过约41m，借助K8403回风巷掘进的经验，若在掘进时再采用边加固顶板边掘进边支护的形式施工，1.2m为一个循环注浆一次，加固体必须在注浆后72小时才能达到预期强度，才可进行下一个1.2m的循环，这样计算下来通过陷落柱大约需90天左右，严重影响掘进速度。若在8403进风加固施工时就研究制定加固方案，情况将会改善许多。由于受施工条件所限，K8402工作面范围内的陷落柱因距离较远，现有的注浆加固技术手段难以保证质量，可以在K8402平巷开掘之后稳定一段时间，在回采之前择时再处理，在保证加固效果同时也不影响回采进度。在综合考虑以上因素之后，煤柱侧注浆孔长度应以穿过K8402回风平巷2m为宜。对于底板,陷落柱附近及陷落柱内，与煤层底板相同标高范围内柱体较为破碎和松软，支架通过时受顶部柱体的强大压力作用容易下陷，支架无法对顶板提供足够的支撑力，导致顶板状况恶化，而且无法移架，极易发生压架事故，严重影响生产，同样需要加固注浆，依据数值计算结果，加固厚度为1m即可满足要求，为可靠起见，估算注浆厚度在2m为宜。通过建立数值计算模型，分析工作面通过陷落柱前后距离不同时应力分布情况，根据柱体内的应力变化分析，讨论工作面与陷落柱距离的影响关系。陷落柱采空区冒落体采场图9数值计算模型采动对陷落柱内岩体影响曲线051015202530-50050100150200250工作面至陷落柱边界距离（m）柱体内应力值（MPa）水平方向应力垂直方向应力图9.49采动对陷落柱内岩体影响关系曲线实验结果分析及结论：将工作面距陷落柱不同距离时柱体内岩体对应的应力提取出来，绘制距离——应力曲线图，如图9.49所示。图9.49可以看出：工作面距离陷落柱大于80m时，柱体内应力变化较为缓慢，可以判断此时采动对柱体内岩体的影响较弱；距离小于80m时，柱体内水平应力和垂直方向的应力均迅速增大，工作面回采活动对陷落柱内岩体的影响开始变得强烈，当距离小于10m时，影响最为强烈；当采煤工作面推入柱体内时，柱体内的应力迅速下降，这是由于柱体内破碎岩体的承载能力极低，如果不进行加固，工