煤礦近距離煤層掘進面冒頂事故防治技術(shù)研究

＊王 瓊

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業(yè) 山西 041600）

前言

基于煤礦巷道具有90%的近距離返修率這一現(xiàn)象，研究了煤層工作面近距離掘進時下層煤的掘進受到的幾種影響因素，如：地質(zhì)多變的構(gòu)造和采動上煤層的應(yīng)力，都會增大復合頂板的下層支護難度，獲得較差的冒落控制，嚴重威脅通風和運輸以及行人的安全。以山西各地的煤田為例，研究了汾西和西山以及霍州和大同的煤層，近距離聯(lián)合開采的幾種限制條件：主要受瓦斯影響；不能同時開采上下煤層，會產(chǎn)生大量的矸石；若開采放頂煤，其回采率低且冒放性差。目前三交河煤礦運用的是分層布巷并分層開采，集團屬于霍州煤電。施工人員有一個比較棘手的問題是下層煤層近距離掘進時工作面會出現(xiàn)冒落。我國學者近幾年一直在降低冒頂事故的發(fā)生率，通過現(xiàn)場實測，分析實驗室建模，研究產(chǎn)生機理，重點分析了巷道下層近距離煤層的支護與圍巖的作用力以及破壞變形圍巖的機理，還分析了巷道的支護原則及特點，優(yōu)化了光面爆破以及掘進工藝，最終制定了支護方案并確定了合理的支護參數(shù)。本文以某煤礦為例，結(jié)合復雜的水文地質(zhì)及頂板較軟的情況，研究了頂板在下煤層破碎的原因，總結(jié)了煤層掘進近距離工作面出現(xiàn)冒頂?shù)募夹g(shù)處理和預防工作；分析了冒頂易發(fā)和支護巷道困難的不同情況，總結(jié)了巷道復合頂板的冒頂機理。經(jīng)實驗得出，制定的處理冒頂及預防技術(shù)，可以有效并可靠的消除冒頂?shù)碾[患問題。

1.概述

某煤礦的近距離煤層賦存是9號及10號，具備0.90Mt/a的生產(chǎn)能力。其中，煤層9號不含夾矸，厚度是0.82m至1.30m的范圍內(nèi)，煤層平均厚度是1.03m，厚度均勻，夾矸簡單，頂板包含泥巖和石灰?guī)r，而底板大部分是泥巖；煤層10號的厚度是1.65m至2.80m的范圍內(nèi)，煤層平均厚度是2.19m，夾矸層在0～1m之間，厚度均勻，夾矸簡單，頂板大部分是泥巖，底板大部分是粉砂巖。煤層10號的2.03m至6.97m是煤層9號，一般都是4.89m的間距。用煤巷布置回采及采區(qū)巷道。一條230m斷距的正斷層賦存在井田中部，會出現(xiàn)褶曲或陷落柱以及小斷層。巷道掘進時，煤層9號開采完成，10號支護復合頂板不好，屬于破碎的地質(zhì)構(gòu)造，而且煤層9號和10號相距不遠，會發(fā)生嚴重的冒頂。

2.掘進時杜絕工作面冒頂?shù)拇胧?/h2>

(1)設(shè)置合適的掘進參數(shù)

①重新設(shè)計巷道布置

結(jié)合采區(qū)實際的平面工程圖和勘探成果以及地質(zhì)報告，分析應(yīng)力和采動變化以及劃分水文地質(zhì)和不同的地質(zhì)構(gòu)造情況，重新設(shè)計規(guī)劃采區(qū)的工作面布置，布置錯位圖是：斷層方向一定要垂直于巷道布置與采煤方式，但要平行于回采巷道。在巖層穩(wěn)定的區(qū)域布置巷道，可以更好的維護后期巷道，減小巷道掘進產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力。

②設(shè)置合適的支護參數(shù)

由于9號和10號煤層特殊的地質(zhì)條件及圍巖應(yīng)力，導致開采了煤層9號的上層后，10號的復合頂不夠堅硬，會發(fā)生采動裂隙，頂板會更加破碎，強度變低，掘進巷頂板逐漸和煤層10號出現(xiàn)離層。所以，要重新設(shè)置參數(shù)，設(shè)置新的支護方式。

A.架棚支護

現(xiàn)場一旦開挖，如果只用錨網(wǎng)支護，會出現(xiàn)冒落。所以采用新的支護方式為：鋼棚與錨網(wǎng)+聯(lián)合支護或者架棚支護。

a.施工方法的改變。巷道掘進的施工工藝是預留隧道的核心土法：巷道開挖順序是左右上頂，展開支護；然后從左右腰線開挖附近巖石，并實時支護；核心土要在最后開挖；b.棚距要相應(yīng)減少：計算破碎頂板產(chǎn)生的巖石容重及工作阻力，實驗?zāi)M現(xiàn)場，對棚距調(diào)整數(shù)據(jù)為0.6m的距離；c.超前預支護以及預加固：撞楔要超前打在棚梁上，實現(xiàn)預支護超前；錨桿用管縫注漿，實現(xiàn)圍巖提前加固，見圖1。“架棚加錨網(wǎng)”的聯(lián)合支護方式要在巷道煤間距是3m至5m之間進行支護，這種支護方式結(jié)合了主動加被動的支護模式，可以很好的防止巷道出現(xiàn)變形及冒落情況，使巷道更加完整。

圖1 煤間距3-5m采用“錨網(wǎng)+架棚”聯(lián)合支護

B.錨網(wǎng)支護

錨桿受力方式主動，所以巷道支護頻繁使用錨桿支護。但是煤層巷道的頂板間距超過5m以后，就需要重新設(shè)置支護參數(shù)，因為巷道頂板雖然能自穩(wěn)但易破碎。最終確定的高強錨桿長是2200mm，其計算法主要有：經(jīng)驗公式和三鉸拱內(nèi)力以及組合梁和錨桿懸吊理論等四種計算方法，進行分組模擬實驗時，要計算各種錨桿密度及參數(shù)，來確定錨桿支護的準確數(shù)據(jù)：700mm×700mm的錨桿間距；短錨索1600mm間距，頂板5.0m。采用的W寬鋼帶的錨桿，具備高強力加高預應(yīng)力，可以保持完整的煤巖層淺部頂板；采用高預緊力的短錨索，具備的組合梁更大，可以綜合提升懸吊頂板的能力。

(2)制定預防地質(zhì)構(gòu)造的相關(guān)措施

采用物探技術(shù)了解井田地質(zhì)狀況，研究陷落柱及斷層的構(gòu)造；針對煤層近距離等厚線，重新設(shè)置支護參數(shù)并設(shè)計巷道層位；掘進方案要依靠斷層產(chǎn)狀揭露來制定。

3.制定工作面掘進冒頂?shù)姆桨?/h2>

(1)降低巷道架棚發(fā)生冒頂

①當煤壁片幫情況少且煤頂板的上覆完整時，或者巷道掘進出現(xiàn)煤冒落及少量矸石時，要安設(shè)木垛來處理頂板冒落，具體是：施工人員選擇完整的支護地段進行站立，凈煤矸可以選擇先不往外運，先清頂，用長桿進行，及時設(shè)立支架，選擇迎坡地段，并用木垛去接頂搭設(shè)，用兩幫背板進行支架聯(lián)鎖，以此確保支護更具整體性，流程如圖2。

②當冒頂高或頂板破碎時，控制頂板冒落的方式要超前對上層制定措施，對上部頂板進行控制，具體方法有兩種：A.用預注漿的方式進行預加固。為了把煤巖松散的狀態(tài)凝固成一個整體，就要在掘進時預先利用加壓泵把水泥漿液注漿到前方的鉆孔，等達到強度后，再繼續(xù)支護頂板并正常掘進，以此制作人工假頂。B.撞楔法。架設(shè)支架在冒落區(qū)附近，已經(jīng)支護的地段用大錘從頂梁支架上每200mm打進一列撞楔到新支架頂梁，然后超前在頂板的預支護過程，實時出矸，接著再重復進行下一支架。一定要反復加強立柱窩及迎頭兩幫的重點部位，穿越破碎區(qū)后即可停止。

(2)降低錨網(wǎng)巷道發(fā)生冒頂

巷道頂板1.5m范圍內(nèi)的冒落，具備完整的頂板，且冒落層位穩(wěn)定，此時加密形式可以用原來的支護方式，進行錨索補打。施工前先用臨時支護去保護施工人員，對冒頂頂部進行逐個打點柱，并噴射混凝土，等待厚度達到30mm至50mm范圍后，巷道頂板的上下兩幫可以密封。等待鋼筋混凝土第一次噴射的全部達到凝固后，再進行錨桿施工及錨索，最后再進行掛網(wǎng)，復噴厚度要超過150mm。如果掉落的冒頂高度大于1.5m，則不可以再用錨網(wǎng)支護，一定要選擇架棚支護。

4.結(jié)語

該礦巷道掘進時，針對工作面發(fā)生冒頂?shù)那闆r，進行了大量實驗操作，得到新的支護參數(shù)，投入到實際生產(chǎn)中，采取了新的方案和措施以后，在坍塌事故發(fā)生之前，利用頂板的預先支護措施，可以促進成巷速度，有效的減少維護巷道的成本。經(jīng)驗證，本文的措施可以真實有效的降低冒頂事故，減少頂板破碎，加強礦井安全，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。