沿空順槽回采冒頂原因與防治淺析

李金星+邵福兵

[摘 要]為提高采煤工作面兩道支護強度，減少頂板事故，采用理論與實踐結(jié)合的方法，淺析支護材料與支護方式以及補強范圍在采煤工作面的應(yīng)用。根據(jù)采煤工作面埋深、圍巖性質(zhì)、現(xiàn)場環(huán)境等條件，合理設(shè)計支護參數(shù)和選用支護材料。通過優(yōu)化支護，選用合適的支護材料以及加強觀測，實現(xiàn)了采煤工作面沿空順槽回采頂板的安全，減少巷道頂板下沉，保證了回采和運輸?shù)恼＿M行，經(jīng)濟和社會效益顯著，對類似工作面的管理具有較好的參考價值。

[關(guān)鍵詞]順槽 冒頂 補強

中圖分類號：U455.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0077-02

1 工作面概況

7435綜放工作面位于IV1采區(qū)，淺部為7433采空區(qū)，東部和深部為實體煤，西部為上山煤柱，標高為-991.965m～-892.112m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度3.80～5.50m，平均厚度4.80m，煤層傾角18°～25°，平均20°。綜采放頂煤工藝開采，機采高度2.5m，放煤高度2.3m。工作面走向長度1196m，傾向長度225m，回采儲量144.3萬噸。于2015年5月開始回采，截止2016年2月初工作面剩余620米，工作面是日進度平均為3～4米，預(yù)計于2016年11月回采結(jié)束。

煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，老頂為中粒砂巖，直接頂易冒落。煤層底板為砂質(zhì)泥巖，工作面周期來壓不明顯，回風順槽超前壓力顯現(xiàn)明顯。

2 沿空布置及支護情況

工作面回風順槽跟7#煤頂板施工，與上區(qū)段間平均凈煤柱5.5米，梯形斷面，凈寬4.6m，中凈高3.0m，凈斷面積13.8 m2，錨網(wǎng)（索）聯(lián)合支護，鋪金屬點焊網(wǎng)片，錨桿間距0.75m，排距1.2m。掘進期間支護參數(shù)幾經(jīng)修改，錨索布置方式由最初的每排2根修改為“2-1-2”五花布置方式，錨索直徑17.8mm，長度8.2m，錨桿直徑22mm，長度2.4m。放水巷以東采用M型鋼帶梁配蝶形托盤，以西采用梯形鋼帶梁無托盤。放水巷以西每40m支設(shè)一根φ≥200mm信號點柱，放水巷以東無信號點柱?；夭善陂g頂板離層儀陸續(xù)銹蝕失效。

詳見支護斷面圖1。

受上區(qū)段7433綜放工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，掘進及回采初期整個回風順槽壓力較大，頂?shù)装?、兩幫移近明顯，部分地段淋水大、掘進時上幫片幫深度超過1.0m。投產(chǎn)兩個月后未受超前應(yīng)力影響的外段巷道共4處變形嚴重，局部錨索外露長度僅余100mm左右，部分鋼帶斷裂，及時采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁補套加強支護，總補強長度200m，實質(zhì)上此部分巷道為錨架聯(lián)合支護。

冒頂位置與回采及補強支護位置關(guān)系見圖2。

3 冒頂及處理情況

2016年2月6日1：30分左右，回風順槽D12點前后（超前工作面回采位置155m處）下幫開始首先失衡垮落，繼而向上幫延展冒頂，冒頂走向長7.2m，冒高最大2.5m，傾向?qū)?.6m，共5排鋼帶梁垮落、27根錨桿、8根錨索失效，上幫兩趟瓦斯抽放管壓斷，上肩窩留有一米見方的通風口，冒頂區(qū)正常過風。在確認工作面風量未受影響，沒有傷及人員的前提下，及時對冒頂區(qū)域兩側(cè)頂板進行加固、清理矸石（共清理矸石93車），采用錨網(wǎng)索支護高冒區(qū)，用半圓木接平頂板后，架設(shè)單體液壓支柱和鉸接頂梁走向棚支護。

冒頂后觀測發(fā)現(xiàn)冒落巖面銹蝕，一根錨索尾部索具拉脫、一根錨固端部拉脫、其余六根錨索錨固端均未見異常，錨固結(jié)實，與錨索聯(lián)接的錨梁（M型鋼帶梁）斷裂，索具鎖緊正常，部分索具與錨索仍聯(lián)接在變形扭曲的鋼帶上，浮埋于冒落矸石中，緊靠上幫的6根錨桿由于上幫擠出，與變形的鋼帶連接，1根錨桿尾部拉斷，其余20根錨桿錨固端均離層脫落，少部分與斷裂的鋼帶梁分開，高低不齊地外露于冒落浮矸上。冒頂兩側(cè)緊貼正常支護的鋼帶梁切落，沿走向兩端截面成直立狀，沿傾向截面成不規(guī)則拱型，東側(cè)第一根未失效的鋼帶梁上的錨索（一根、布置在巷中）錨具脫出，錨索失效。詳見附圖3。

4 原因分析

4.1 直接原因

（受壓、淋水、崩解）松動離層的直接頂受動靜載（煤炮震動、采動應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力、膨脹應(yīng)力）疊加作用壓垮（受擠壓、腐蝕、變形、撕裂、折斷作用）強度降低的錨網(wǎng)梁（M型鋼帶和網(wǎng)片）是導(dǎo)致冒頂?shù)闹苯釉騕1]。

（二）間接原因：

1.受礦壓及淋水影響，頂幫圍巖不穩(wěn)定

回風順槽處于礦井開采深部（冒頂處D12前后巷道標高為-900m，埋深約為930m，所受垂直應(yīng)力為23.25MPa），設(shè)計為沿空掘巷，小煤柱護巷（冒頂處煤柱寬度約為4m），上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力大，掘進期間經(jīng)過一次動壓影響，回采期間受二次動壓影響（冒頂時工作面處于“三次見方”上覆巖層運動強烈影響階段，微震系統(tǒng)監(jiān)測到回風順槽在超前100～200m范圍內(nèi)煤炮震動頻繁），且冒頂區(qū)處于工作面背斜軸部構(gòu)造應(yīng)力集中，巷道松動圈進一步擴大，圍巖自承能力顯著降低。

冒頂區(qū)頂板長期淋水，弱化了厚度僅3m左右的砂質(zhì)泥巖直接頂板的圍巖強度。根據(jù)崩解實驗，泥巖在遇水后會出現(xiàn)體積膨脹，內(nèi)部節(jié)理裂隙進一步發(fā)育，進而發(fā)生崩解，致使圍巖強度降低甚至幾乎沒有強度，通過現(xiàn)場實際測量發(fā)現(xiàn)下幫冒頂高度已完全超出錨桿的錨固范圍，根據(jù)圍巖強度強化理論，錨桿支護組合梁和擠壓加固拱作用完全失效。

在原7433溜子道未完全垮落頂板擾動及7435回風順槽開挖應(yīng)力重新分布的影響下，4m窄煤柱不存在彈性區(qū)，回風順槽下幫所受側(cè)向支撐壓力超過錨桿支護的錨固力，表現(xiàn)為巷道下幫鼓出，同時在淋水腐蝕作用下的金屬網(wǎng)、錨索和鋼帶等支護失效，導(dǎo)致下幫成為冒頂?shù)耐黄瓶?，下幫先發(fā)生漏冒型冒頂，進而整個巷道發(fā)生墩冒型冒頂。

2.頂板淋水和潮濕腐蝕，弱化了支護材料強度

金屬網(wǎng)特別是聯(lián)接扎絲長期在淋水及潮濕環(huán)境中銹蝕，強度降低，使原本崩解的泥巖頂板找到突破點，出現(xiàn)部分或小范圍的離層甚至頂板掉落，同時錨索和鋼帶長期受淋水侵蝕后易生銹而使其抗拉及抗剪強度減弱，當巷道頂板泥巖沿銹蝕的金屬網(wǎng)掉落后，頂板巖層在水平地應(yīng)力的作用下勢必會產(chǎn)生一定的位移，此時錨索和M型鋼帶既要承受鉛垂應(yīng)力的抗拉又要承受水平應(yīng)力的抗剪，當兩種作用力達到錨索和鋼帶的承受載荷極限時，兩者強度較低的M型鋼帶首先發(fā)生破斷，從而使錨索支護失效。

3.一次支護（錨、梁、網(wǎng)、索）強度不匹配，方式不合理

冒頂區(qū)錨桿共有27根，其中20根錨固段處于離層區(qū)，隨整層砂質(zhì)泥巖而完整掉落，冒落的矸石總重量（按最大冒高2.5 m計算）為2.5×4.6×7.2×2.4=198.72噸，全部由8根錨索懸吊，錨索懸吊初錨力計算為8×30=240噸，理論上大于冒頂?shù)袈漤肥目傊亓俊?/p>

但鋼帶梁排距較大（1.2m），錨桿索間排距不均勻（間距0.75米，排距1.2米），錨桿與錨索布置在同一鋼帶上，鋼帶受力過度集中，公司推廣應(yīng)用的點焊網(wǎng)片及聯(lián)接扎絲、M型鋼帶等均耐腐蝕性不夠，鋼帶梁韌性和抗彎能力較差，彎曲后易出現(xiàn)斷口，而回風順槽所受的水平應(yīng)力大，導(dǎo)致M型鋼帶發(fā)生彎曲擠壓斷裂，錨索及個別索頭銹蝕滑脫，錨梁和網(wǎng)片失效，直接頂整體性消失，增加了冒頂機率。

4.二次補強支護（單體支柱架棚）不及時

一般工作面回風順槽超前加強支護長度不超過40m，有沖擊地壓危險的長度在100m左右，本次冒頂位于超前工作面回采位置155m處，冒頂處東側(cè)60m，西側(cè)15m，共82.5m范圍相對變形較小的巷道沒有及時補套加強支護。

5.頂板離層監(jiān)測不細致，沒有及時發(fā)現(xiàn)頂板異常

目前使用的頂板離層儀質(zhì)量較差，通常一個煤巷巷道掘進結(jié)束后前期安裝的部分頂板離層儀就已經(jīng)損壞失效。且木信號點柱布置數(shù)量減少，放水巷向東及冒頂區(qū)域沒有支設(shè)木點柱，日常監(jiān)測不深入，沒能及時發(fā)現(xiàn)頂板離層信號。

5優(yōu)化建議

（一）現(xiàn)有錨網(wǎng)巷道及時補強支護。

1.本工作面及其它工作面變形較大范圍和頂板淋水區(qū)域，采用錨架聯(lián)合支護補強支護，扶單體鉸接梁走向棚，傾向穿半圓木或工字鋼，雙排或三排，穿鞋，必要時一梁兩柱。特殊地段架棚影響軌道運輸安全間距處，走向補打錨索加固。

2.合理加大超前支護范圍，加大工作面超前臥底量。

3.及時替換腐蝕、開裂、壓斷的單體鉸接梁半圓木棚，錨梁斷裂變形處采用工字鋼替換半圓木。

4.加強頂板監(jiān)測，在離層監(jiān)測基礎(chǔ)上，加強巷道表面位移監(jiān)測，每20～50m布置一個測點，必要時增加信號點柱數(shù)量。

（二）優(yōu)化深部沿空側(cè)巷道支護方式，合理匹配材料強度。

1.在深部設(shè)計布置時，使用強度達標、匹配合理的支護材料，選擇抗橫向變形強度大、耐腐蝕的鋼帶梁、網(wǎng)片和聯(lián)接扎絲。

2.在深部采區(qū)回風順槽設(shè)計布置時，充分考慮巷道地應(yīng)力狀況，選擇合理的支護參數(shù)與支護方式。頂板易碎時合理減少支護間排距。嘗試錨桿與錨索分開布置，加大托盤尺寸和強度。必要時采用錨架聯(lián)合支護。

3.研究和試用錨網(wǎng)索桁架結(jié)構(gòu)、走向鋼帶等支護方式，以減少傾向方向水平應(yīng)力對支護體系的破壞。

4.合理加密信號點柱數(shù)量。

5.掘進施工過程中不得隨意改變和降低支護強度，如需更改需重新計算確認，并在現(xiàn)場進行試驗，出現(xiàn)問題立即進行二次補強支護。

6.巷道斷面設(shè)計時，根據(jù)圍巖性質(zhì)，確定合理的寬高比。

參考文獻：

[1] 韓立軍等.巖土加固技術(shù)[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[2] 姚建國，鄒正立，耿德庸，等著.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐[M].煤炭工業(yè)出版社，2002，144-153.

作者簡介：

李金星，男，1987.11.28，2010年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，采礦工程專業(yè)，孔莊煤礦生產(chǎn)技術(shù)科采煤專員，助理工程師。