煤礦運(yùn)輸巷道冒頂原因分析及支護(hù)強(qiáng)化技術(shù)研究

薛振華

（山西大同永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

引言

在所有的煤礦安全事故中巷道冒頂是經(jīng)常出現(xiàn)的事故之一[1-2]。一旦工作面巷道出現(xiàn)冒頂問題，就會威脅礦井生產(chǎn)的安全性，輕則給煤礦企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡[3]。引發(fā)工作面巷道出現(xiàn)冒頂問題的原因是多方面的，需要根據(jù)具體問題開展具體分析[4-5]。本文以某煤礦工作面運(yùn)輸巷道出現(xiàn)的冒頂問題為例，分析了巷道冒頂?shù)臋C(jī)理，在此基礎(chǔ)上對其巷道支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行強(qiáng)化，極大提升了煤礦的安全性。

1 工程概況

本文研究的工作面位于煤礦的西北區(qū)域。煤層厚度范圍為5.93～6.29 m，厚度平均值約為6.13 m，煤層傾角范圍為2°～4°，可以看出傾角相對較小，屬于近水平煤層，煤層埋深大約為250 m。工作面的運(yùn)輸巷道截面形狀為矩形，其寬度和高度分別為6 m和4 m，長度超過了5 000 m。該巷道在掘進(jìn)時地質(zhì)構(gòu)造影響不大，但巷道所在區(qū)域煤層縫隙內(nèi)存儲有大量積水。

運(yùn)輸巷道在服役過程中出現(xiàn)了冒頂安全事故，對煤礦開采過程造成了非常不利的影響。具體出現(xiàn)冒頂?shù)奈恢么蠹s在4 385～4 403 m 范圍內(nèi)，出現(xiàn)冒頂?shù)拈L度約為18 m，寬度和高度分別為5.7 m 和4.3 m。冒頂安全事故嚴(yán)重阻礙了煤礦開采的順利推進(jìn)，必須對引發(fā)冒頂問題的原因進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上提出針對性的治理措施，保障后續(xù)開采過程的安全進(jìn)行。

2 工作面運(yùn)輸巷道冒頂原因

2.1 巷道圍巖遇水發(fā)生軟化

基于前期地質(zhì)勘查結(jié)果可知，工作面所在區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性屬于中等水平。巷道直接頂以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度約為3.5 m?；卷斨饕谴稚皫r，抗壓強(qiáng)度在15～32 MPa 范圍內(nèi)。底板圍巖主要為粉砂巖和泥巖，抗壓強(qiáng)度在8.9～32 MPa 范圍內(nèi)，這種性質(zhì)的圍巖容易出現(xiàn)軟化進(jìn)而引發(fā)破碎，尤其是在遇水時更容易出現(xiàn)軟化問題。

運(yùn)輸巷道東北側(cè)為另外一個工作面采空區(qū)，該區(qū)域囤積有很多積水，積水可能會發(fā)生側(cè)漏進(jìn)入到運(yùn)輸巷道圍巖中，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)滲水問題。砂質(zhì)泥巖長時間受到積水浸泡和沖刷，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，使得圍巖穩(wěn)定性顯著降低。出現(xiàn)上述問題的范圍大約在距離巷道頂板1.28～4.22 m 范圍內(nèi)。由于該部分圍巖軟化，導(dǎo)致錨桿無法有效固定在圍巖基體中，甚至完全失去錨固效果，進(jìn)而引發(fā)冒頂安全事故。

2.2 支護(hù)方案存在缺陷

工作面運(yùn)輸巷道采用的是“錨桿錨索+金屬網(wǎng)+噴漿”的聯(lián)合支護(hù)方案。使用的是圓鋼錨桿，其直徑和長度分別為18 mm 和2.1 m。頂板區(qū)域中間兩根錨桿之間的距離為0.8 m，其余錨桿之間的距離全部設(shè)置為1.2 m，兩排錨桿之間的距離同樣設(shè)置為1.2 m。幫部區(qū)域使用的錨桿，其間距和排距全部設(shè)置為1 m。錨索只安裝在頂板區(qū)域，使用的錨索直徑和長度分別為17.8 mm 和6.5 m，相鄰兩根錨索之間的距離設(shè)置為2.5 m，相鄰兩排錨索之間的距離設(shè)置為2.4 m，即間隔兩排錨桿設(shè)置一排錨索。菱形鋼筋網(wǎng)采用直徑為6.5 mm 的鋼筋焊接制作而成，菱形邊長為200 mm。泥漿噴射厚度為50 mm。工作面運(yùn)輸巷道支護(hù)技術(shù)方案斷面示意圖如下頁圖1 所示。

針對出現(xiàn)冒頂區(qū)域的錨桿錨索進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，幾乎所有錨桿全部發(fā)生脫落，冒高范圍已經(jīng)完全覆蓋錨固深度，表明錨桿已經(jīng)失去了其原有的錨固作用。另外有部分錨索出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象?；谝陨戏治?，認(rèn)為原有運(yùn)輸巷道錨桿錨索支護(hù)技術(shù)方案存在兩個方面的缺陷，一是錨桿長度不夠?qū)е洛^桿無法起到應(yīng)有的懸吊作用，二是錨索強(qiáng)度不足導(dǎo)致出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象，最終引發(fā)巷道頂板冒頂。

圖1 巷道支護(hù)技術(shù)方案斷面示意圖（未標(biāo)單位：mm）

3 煤礦運(yùn)輸巷道支護(hù)強(qiáng)化技術(shù)

上文主要對煤礦運(yùn)輸巷道頂板出現(xiàn)冒頂?shù)脑蜻M(jìn)行了分析，主要是巷道圍巖自身屬性不穩(wěn)定，遇水后發(fā)生軟化，另一方面是巷道圍巖錨索錨桿支護(hù)技術(shù)方案存在缺陷，無法起到有效的支護(hù)效果。因此針對冒頂問題進(jìn)行控制時，可以從支護(hù)技術(shù)方案著手，對支護(hù)方案進(jìn)行強(qiáng)化，提升其錨固效果。

基于冒頂現(xiàn)場分析結(jié)果可知錨桿長度不足，因此將頂板原有長度為2.1 m 的錨桿換成3.5 m 的錨桿，其他參數(shù)保持不變。將頂部區(qū)域錨索規(guī)格尺寸更換成為直徑21.6 mm，長度8.2 m，不僅增大直徑，同時延長長度，提升錨索的強(qiáng)度以及錨固效果?？紤]到錨索安裝施工過程的方便性，將相鄰錨索之間的距離設(shè)置為2.4 m，但每排增設(shè)1 根錨索，由原來的2根變成現(xiàn)在的3 根。為確保巷道圍巖被積水浸泡軟化后錨索仍然能夠發(fā)揮其應(yīng)有的效果，將每排錨索之間的距離設(shè)置為1.5 m。另外在出現(xiàn)冒頂?shù)膮^(qū)域增加設(shè)置T 型鋼帶進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。除上述所述補(bǔ)強(qiáng)措施外，其他安裝措施和技術(shù)參數(shù)全部與原支護(hù)方案相同。

4 巷道支護(hù)強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用效果

為驗(yàn)證本文所述巷道圍巖支護(hù)技術(shù)方案的強(qiáng)化效果，按上述支護(hù)方案進(jìn)行施工后對出現(xiàn)冒頂區(qū)域的巷道進(jìn)行連續(xù)30 d 的監(jiān)測。監(jiān)測對象主要包括巷道圍巖表面的位移變化情況以及錨桿錨索的錨固力變化情況。其中圍巖表面位移變化情況通過“十字交叉法”進(jìn)行測量，而錨桿錨索的錨固力則需要借助專業(yè)的測量工具進(jìn)行檢測。

1）巷道圍巖表面位移變化情況。如圖2 所示工作面運(yùn)輸巷道表面圍巖位移隨時間的演變曲線。從圖中可以看出，不管是頂?shù)装遄冃瘟窟€是兩幫變形量，在剛開始階段均出現(xiàn)了明顯的變化，隨時間推移其變化速率逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。在15 d 左右時，巷道圍巖表面基本不再出現(xiàn)明顯的位移變形情況。穩(wěn)定狀態(tài)下頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為106 mm 和122 mm 左右。

圖2 巷道表面位移變形量隨時間的演變曲線

2）錨桿和錨索錨固力變化情況。如圖3 所示錨桿和錨索的錨固力隨時間的演變曲線。從圖3 中可以看出，剛開始階段幫部錨桿和頂板錨桿的錨固力大小均在40 kN 左右，頂板錨索的錨固力約為91 kN。隨時間推移不管是錨桿還是錨索的錨固力均出現(xiàn)了不同程度的增加，尤其是頂板錨索錨固力增加幅度相對較大。穩(wěn)定狀態(tài)下，頂板錨桿和幫部錨桿的錨固力大小大約為88 kN，而錨索的錨固力超過了220 kN。

圖3 錨桿錨索的錨固力大小隨時間的變化曲線

基于以上數(shù)據(jù)分析可知，對煤礦工作面運(yùn)輸巷道支護(hù)方案進(jìn)行強(qiáng)化后，巷道圍巖穩(wěn)定性有了顯著提升。錨桿和錨索的錨固力得到強(qiáng)化，使支護(hù)效果顯著提升。最終的結(jié)果就是巷道圍巖表面位移變形情況控制在合理范圍內(nèi)，保障了煤礦開采過程的安全性。

5 結(jié)論

煤礦開采中需要掘進(jìn)很多巷道，巷道服役過程的可靠性和穩(wěn)定性對煤礦安全有非常重要的影響。但在實(shí)踐過程中巷道頂板經(jīng)常出現(xiàn)冒頂問題，嚴(yán)重威脅礦井安全。某煤礦工作面運(yùn)輸巷道出現(xiàn)了冒頂問題，在充分分析巷道圍巖基本屬性的基礎(chǔ)上，對巷道出現(xiàn)冒頂問題的原因進(jìn)行了系統(tǒng)全面的分析，認(rèn)為導(dǎo)致巷道冒頂?shù)脑蛑饕菄鷰r遇水后出現(xiàn)軟化，降低了圍巖的穩(wěn)定性，同時還弱化了原有錨桿和錨索的支護(hù)效果。在多方面因素綜合影響下，最終引發(fā)冒頂安全事故。在此基礎(chǔ)上，對巷道錨桿錨索支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行強(qiáng)化處理，通過工業(yè)現(xiàn)場實(shí)踐監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的巷道支護(hù)技術(shù)方案完全能夠滿足實(shí)際使用需要，提升了巷道圍巖的穩(wěn)定性，保障了礦井的安全。