高應(yīng)力厚煤層沿底掘進(jìn)冒頂事故成因及預(yù)防與處理技術(shù)研究

劉寶珠 苑龍峰

（開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000）

高應(yīng)力厚煤層沿底掘進(jìn)冒頂事故成因及預(yù)防與處理技術(shù)研究

劉寶珠 苑龍峰

（開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000）

以唐山礦T1391工作面為研究對(duì)象，針對(duì)該面掘進(jìn)期間多次發(fā)生冒頂事故的現(xiàn)象，分析了事故成因，并相應(yīng)地采用小板超前控頂、打超前錨桿控制掘進(jìn)工作面及上頂、用注煤體固化劑及充填材料固化周邊煤體等技術(shù)措施完成工作面的各項(xiàng)掘進(jìn)施工工作。

高應(yīng)力 厚煤層 冒頂 治理

厚煤層及特厚煤層采用放頂煤開采的工作面，其巷道多布置在煤層底板施工，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，因煤層硬度比較低，容易造成松散破壞。工作面巷道掘進(jìn)時(shí)，受到破壞的煤體極易造成冒頂事故，給掘進(jìn)工作帶來(lái)極大威脅，制約工作面的掘進(jìn)，甚至不得不修改工作面設(shè)計(jì)，造成煤炭資源的損失。唐山礦T1391工作面巷道掘進(jìn)為此類典型的煤巷掘進(jìn)，此工作面的成功掘進(jìn)為以后類似條件施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

T1391工作面開采深度－680～－780m。工作面為8＃、9＃合區(qū)煤層工作面。T1391工作面東、西部均為采空區(qū)。工作面布置見圖1。

8＃、9＃合層煤層厚度9.5～14m，平均厚10.1m，煤層傾角4～21°，平均16°。煤層中發(fā)育有2～3層夾石，主要為炭質(zhì)泥巖，厚度在0.1～0.5m之間。煤層單向抗壓強(qiáng)度19.7MPa。老頂為5m厚的砂質(zhì)泥巖，直接頂為4.5m厚的粉砂巖，偽頂為0～0.7m的泥巖，直接底為1.5m厚的泥巖，老底為3.5m厚的泥巖。

圖1 工作面布置圖

2 冒頂事故原因分析

冒頂事故發(fā)生的根本原因是開采過(guò)程中礦山壓力的活動(dòng)所造成。頂板在礦山壓力活動(dòng)過(guò)程中發(fā)生不同程度的變形，先是沿著頂板節(jié)理出現(xiàn)裂隙，產(chǎn)生離層現(xiàn)象。此時(shí)，如果頂板管理不當(dāng)、支護(hù)質(zhì)量不好、壓力繼續(xù)增大、巖石變形超過(guò)彈性變形極限，就會(huì)出現(xiàn)斷裂、垮落、片幫或局部冒頂。

T1391工作面掘進(jìn)的過(guò)程中，切眼、運(yùn)煤巷外段、大面風(fēng)巷出現(xiàn)較大壓力，并且有數(shù)次冒頂?shù)默F(xiàn)象。經(jīng)分析，誘發(fā)事故的主要因素有煤層埋深、地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力、煤質(zhì)松軟、孤島煤柱、巷道布置的不合理、施工設(shè)備及傳統(tǒng)技術(shù)的限制、設(shè)備的持續(xù)震動(dòng)等。

2.1 地質(zhì)條件影響分析

本區(qū)域煤層埋藏較深，處于向斜構(gòu)造的一翼，存在皺曲、斷層等構(gòu)造，地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力均較大。8＃煤層煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度低，當(dāng)夾矸破碎后，極易冒至頂板甚至大面積冒頂。

此區(qū)域?yàn)楸Ａ裘褐?，兩?cè)為采空區(qū)，孤島煤柱條件造成應(yīng)力高度集中，煤體原始條件造成極大破壞，失去了整體穩(wěn)定性。

2.2 工作面巷道位置影響分析

本煤柱寬度為220m，布置為T1391大、小面兩個(gè)工作面。大面運(yùn)煤巷道布置在T1392采空區(qū)邊緣，風(fēng)道位于T2290板、底邊眼之間；T2290底邊眼為小面運(yùn)煤巷，小面風(fēng)道布置在停采線邊緣。

巷道均為沿底掘進(jìn)施工，在掘進(jìn)的過(guò)程中大面風(fēng)道、運(yùn)煤巷外段壓力較大，多次出現(xiàn)冒頂?shù)痊F(xiàn)象。經(jīng)分析，該段巷道均處于應(yīng)力疊加區(qū)域。

2.3 開采工藝影響分析

（1）施工設(shè)備的制約。主鉆長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，為950 mm，采用金屬拱形支架支護(hù)時(shí)，施工荒斷面深度達(dá)到1000mm以上，這導(dǎo)致施工過(guò)程中控頂距受限，易造成控頂距過(guò)大。

（2）設(shè)備震動(dòng)影響。掘進(jìn)機(jī)寬度與施工斷面不匹配，掘進(jìn)時(shí)需要進(jìn)車兩次，從而導(dǎo)致掘進(jìn)工作面控頂時(shí)間增長(zhǎng)，當(dāng)主鉆破煤時(shí)，對(duì)頂板造成較大震動(dòng)，上頂煤體跨落，如控頂不及時(shí)，易造成冒頂事故。

3 冒頂防治措施

根據(jù)巷道壓力的增加，防治冒頂增加了不同措施：傳統(tǒng)的撞楔、小板超前控頂；打超前錨桿控制掘進(jìn)工作面及上頂；采用注煤體固化劑固化周邊煤體；改進(jìn)掘進(jìn)工藝；優(yōu)化工作面設(shè)計(jì)。

3.1 傳統(tǒng)超前控頂方式

傳統(tǒng)控頂方法采用小板、撞楔對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行控制。掘進(jìn)施工時(shí)，在掘進(jìn)工作面末架及末二架之間，對(duì)上頂及兩幫向掘進(jìn)工作面方向打1.5m長(zhǎng)小板或2.0m的撞楔進(jìn)行超前控頂。先采用人力手鎬刷出斷面，將小板、撞楔鑿入掘進(jìn)工作面實(shí)體內(nèi)，達(dá)到超前控制上頂?shù)哪康?，然后在超前控頂?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行掘進(jìn)及架棚支護(hù)。支護(hù)示意圖見圖2。

圖2 支護(hù)示意圖

3.2 超前控頂方法

3.2.1 樹脂錨桿控頂

在上山掘進(jìn)過(guò)程中采用撞楔小板超前控頂存在著不足，如控頂距離較短時(shí)，對(duì)掘進(jìn)工作面煤壁不能有效控制；當(dāng)上山角度大、煤體松散時(shí)，出現(xiàn)向前方偏幫距離遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的方式不能有效控制。為此用增加超前錨桿的方法進(jìn)行超前控制。采用樹脂錨桿超前支護(hù)是利用了錨桿的錨固作用，對(duì)上山煤壁進(jìn)行有效控制，成功保留煤垛，防止掘進(jìn)工作面煤體進(jìn)一步坍塌。

超前錨桿能起到控制煤垛和控制上頂煤體的作用。超前錨桿的數(shù)量根據(jù)煤體松散的程度可以適當(dāng)增加或縮減。一般施工的過(guò)程中采用超前錨桿配合小板撞楔使用，可以達(dá)到較好的效果。樹脂錨桿長(zhǎng)2200mm，錨桿數(shù)目11根（中心煤垛6根、金屬支架上頂及兩上角共5根），中心煤垛上錨桿成五花型布置，金屬支架上頂及兩上角均勻布置。樹脂錨桿超前支護(hù)圖3。

3.2.2 管縫錨桿控頂

管縫錨桿作為超前錨桿使用。穿越煤層時(shí)曾使用過(guò)管縫錨桿進(jìn)行超前支護(hù)，對(duì)巷道掘進(jìn)發(fā)揮了非常有效的作用。管縫錨桿直徑為50mm，錨固原理為膨脹預(yù)緊力全長(zhǎng)錨固。管縫錨桿比樹脂錨桿粗，錨固距離長(zhǎng)，可以托住上頂達(dá)到超前控頂?shù)淖饔?，管縫錨桿可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的控頂。錨桿長(zhǎng)度2400mm；錨桿數(shù)目17根（中心煤垛6根樹脂、金屬支架上頂及兩上角共11根）；中心煤垛上錨桿成五花型布置，金屬支架上頂及兩上角錨桿之間距離為400mm，前后兩根管縫錨桿復(fù)合作用范圍600mm。根據(jù)煤層的松散程度可以加密或減少錨桿的數(shù)量。管縫錨桿超前支護(hù)圖4。

3.3 超前注煤體固化劑方法

根據(jù)掘進(jìn)巷道的壓力條件，對(duì)難以控制地段采用超前注煤體固化劑的方法，將掘進(jìn)前方煤體進(jìn)行固化，根據(jù)固化的超前長(zhǎng)度確定掘進(jìn)的循環(huán)長(zhǎng)度。

在T1391工作面的大面風(fēng)道運(yùn)煤巷里段全部采用了注射煤體固化劑的方法加固煤體，從而保證了T1391工作面的安全掘進(jìn)。當(dāng)巷道壓力大、煤體難以控制時(shí)，適當(dāng)減少掘進(jìn)的工程量。煤體固化劑超前固化距離為6～8m，每天的掘進(jìn)量控制在6 m以內(nèi)，從而防止了冒頂事故的發(fā)生。掘進(jìn)工作面注煤體固化劑布置見圖5。

3.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

防止發(fā)生冒頂事故最關(guān)鍵的方法為設(shè)計(jì)優(yōu)化，即將巷道設(shè)計(jì)在壓力小或免應(yīng)力區(qū)域內(nèi)。T1391工作面掘進(jìn)的過(guò)程中，大面刮板輸送機(jī)道、小面風(fēng)道大部分段巷道壓力相對(duì)較小，大面風(fēng)道、運(yùn)煤巷、切眼部分段壓力較大。初步分析，鄰近采空區(qū)凈距離5m的巷道壓力較小，布置在兩條巷道中間，間距20m為應(yīng)力高度集中區(qū)。在鄰近巷道掘進(jìn)凈距離為3m的巷道壓力較小，變形不嚴(yán)重，在老硐下方掘進(jìn)、穿過(guò)老硐時(shí)巷道壓力不大。下面對(duì)T1391工作面掘進(jìn)的過(guò)程中出現(xiàn)的問題做一下簡(jiǎn)單介紹。

圖5 掘進(jìn)工作面注煤體固化劑布置設(shè)計(jì)圖

（1）在T1391小面風(fēng)道開門掘進(jìn)時(shí)，周圍鄰近巷道非常多，巷道非常密集。但是在掘進(jìn)的過(guò)程中巷道的壓力很小，沒有抽冒的情況發(fā)生。并且在以后回采的過(guò)程中這段巷道變形量是最小的。經(jīng)分析小面風(fēng)道開門140m巷道壓力小的主要原因?yàn)榫嚯xT2290回風(fēng)邊眼較近，兩巷道的圍巖體相互連接形成類似自然拱的支護(hù)條件，因此掘進(jìn)過(guò)程中及以后的使用過(guò)程中均表現(xiàn)壓力小。

（2）T1391小面風(fēng)道在掘進(jìn)的過(guò)程中，巷道壓力較大，煤炮十分頻繁。經(jīng)力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)巷道距離采空區(qū)較遠(yuǎn)，最終決定將最后140m的巷道向采空區(qū)方向偏移5m，使巷道壓力在掘進(jìn)時(shí)明顯變小，控頂非常容易，并且很少有煤炮發(fā)生。

（3）T1391大面運(yùn)煤巷外段是一個(gè)典型的反面例子，此段巷道位于T1390底邊眼與12號(hào)井出車線之間，間距均為20m左右，在掘進(jìn)的過(guò)程中，巷道壓力非常大，屢次發(fā)生冒頂事故，甚至出現(xiàn)停滯掘進(jìn)的情況。經(jīng)分析運(yùn)煤巷正好處在T1390底邊眼與出車線的高應(yīng)力疊加區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)極大的壓力。

工作面設(shè)計(jì)的過(guò)程中要充分的考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，一些數(shù)據(jù)性的經(jīng)驗(yàn)往往是根據(jù)某一現(xiàn)場(chǎng)得出，當(dāng)煤層、頂?shù)装鍘r性變化，煤層的傾角變化，構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)對(duì)巷道的應(yīng)力場(chǎng)有較大影響，因此設(shè)計(jì)必須因地制宜，不可一概而論。

4 冒頂事故處理措施

掘進(jìn)過(guò)程中，因地質(zhì)條件變化等存在不能準(zhǔn)確預(yù)知的情況，因此條件突然變化時(shí)有可能發(fā)生冒頂事故。發(fā)生事故后需要選取合適的冒頂處理措施，以保證巷道的正常掘進(jìn)施工。

4.1 傳統(tǒng)方法

當(dāng)發(fā)生小面積抽冒，采用傳統(tǒng)超前控頂方法進(jìn)行冒頂?shù)奶幚怼?/p>

當(dāng)丈板超前控頂時(shí)，將掘進(jìn)工作面控制好，在掩護(hù)支護(hù)下采用上部打木垛接頂控制好頂板。當(dāng)丈板不夠長(zhǎng)時(shí)，還可以穿軌道或U型鋼等材料進(jìn)行控頂。傳統(tǒng)方法處理過(guò)程中需要出煤，將掘進(jìn)工作面清出操作空間，然后架設(shè)支護(hù)材料進(jìn)行控頂處理。但是傳統(tǒng)方法對(duì)于小面積抽冒簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)于冒頂范圍較大，處理存在較大的危險(xiǎn)性時(shí)，需要選取其他更為有效的措施。

4.2 煤體固化和充填方法

當(dāng)發(fā)生大面積冒頂事故后，采用煤體固化和填充法進(jìn)行冒頂?shù)奶幚怼?/p>

注煤體固化劑及充填材料法的處理原則是減少出煤量，將掘進(jìn)工作面冒落的松散煤體采用煤體固化劑固化，對(duì)上頂空硐部分采用充填材料進(jìn)行充填接頂處理，即將空洞部分全部填實(shí)，采用此方法安全可靠，能保證順利施工。

5 結(jié)論

（1）頂板在礦山壓力活動(dòng)過(guò)程中發(fā)生不同程度的變形，先是沿著頂板節(jié)理出現(xiàn)裂隙，產(chǎn)生離層現(xiàn)象。此時(shí)，如果頂板管理不當(dāng)、支護(hù)質(zhì)量不好、壓力繼續(xù)增大及巖石變形超過(guò)彈性變形極限，就會(huì)出現(xiàn)斷裂、垮落、片幫或局部冒頂，這是造成冒頂事故頻發(fā)的根本原因。

（2）高應(yīng)力復(fù)雜環(huán)境下的防冒頂?shù)年P(guān)鍵是合理的巷道設(shè)計(jì)，需要將巷道選擇在地質(zhì)條件和開采條件好的區(qū)域；工作面設(shè)計(jì)完成后，對(duì)巷道的壓力條件作出前期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。對(duì)難以避免的高應(yīng)力巷道，提前做好充分的監(jiān)測(cè)和預(yù)防措施。

（3）對(duì)于小面積冒頂可以采用丈板超前控頂和U型鋼等材料控頂?shù)膫鹘y(tǒng)方法；當(dāng)發(fā)生大面積冒頂時(shí)，采用煤體固化劑固化煤體及充填材料充填接頂處理。

（4）通過(guò)對(duì)唐山煤礦T1391工作面高應(yīng)力厚煤層巷道沿底掘進(jìn)過(guò)程中冒頂事故的成因分析以及預(yù)防與處理方法的成功應(yīng)用，為以后類似的巷道掘進(jìn)與支護(hù)提供了理論指導(dǎo)及參考。

［1］ 蔣金泉，韓繼勝，石永奎.巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與控制設(shè)計(jì)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1999

［2］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994

［3］ 劉新河，田靈濤等.薛村礦高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)煤炭，2009（3）

［4］ 謝和平，彭蘇萍，何滿潮.深部開采基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2005

［5］ 王兆申，孟飛，孫學(xué)軍.深井高應(yīng)力巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2009（7）

Research of roof falling causes and its prevention and control on high stress thick seam driving along floor

Liu Baozhu，Yuan Longfeng
（Tangshan Coal Mining Branch，Kailuan Group Corporation Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China）

Taking T1391mining face of Tangshan Coal Mine as a research object，the causes for many roof falling accidents during driving were analyzed.And the corresponding measures were carried out to complete the driving work，such as the advanced roof control，the bolt forepoling to control the mining face and the roof，the injection of coal curing agent and the materials filling to strengthen the surrounding coal mass.

high stress，thick seam，roof falling，control

TD353

B

劉寶珠（1969－），男，河北唐山人，高級(jí)工程師，工程碩士學(xué)位，1993年7月參加工作，現(xiàn)任開灤集團(tuán)公司唐山礦業(yè)分公司經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張艷華）