復合頂板條件下煤巷綜掘技術

王敬衛,孫炳興

（1.淮南礦業集團公司 張集煤礦，安徽 淮南 212300；2.煤炭科學研究總院重慶研究院，重慶 400037）

復合頂板條件下煤巷綜掘技術

王敬衛1,孫炳興2

（1.淮南礦業集團公司 張集煤礦，安徽 淮南 212300；2.煤炭科學研究總院重慶研究院，重慶 400037）

張集煤礦在煤巷上山綜掘施工中，為解決節理、裂隙發育的復合頂板掉頂難題而提出的系列技術實踐與創新，分析并驗證了采用分部掘進、分次成巷（即先割頂部架頂梁，后割底部載棚腿）的施工方法，成效顯著，可為此類條件下煤巷綜掘提供實踐經驗。

復合頂板；棚網支護；綜掘；分次成巷

1 煤礦概況

張集煤礦為高瓦斯突出礦井，1214（1）工作面為一傾斜長臂工作面，標高范圍－630 m～－430 m，工作面寬249.3 m，傾斜長2 174 m～2 197 m，兩巷及工作面切眼沿11-2煤層頂板掘進。11-2煤層以塊狀為主，局部片狀及粉末狀；煤層結構復雜，含0～2層夾矸（以泥巖為主），煤層厚度2.35 m～3.89 m，傾角2°～9°，平均5°。11-2煤層頂板是復合頂板，直接頂為泥巖，含11-3煤線（約0.5 m），局部含粉砂巖，有較多植物化石碎片，部分段裂隙、節理發育明顯，老頂為細中粒砂巖，煤層底板以泥巖為主。兩順槽支護設計為錨索網支護或“U”型棚網支護，以錨索網支護為主，當頂板不穩定時采用棚網支護。掘進中發現頂板多處節理、裂隙發育，主要采用棚網支護，“U”型棚網支護斷面規格：凈寬·凈高＝5 000 mm·3 630 mm，凈斷面積為15.32 m2。采用S150J綜掘機掘進一次成巷。

2 施工中遇到的問題

1214（1）工作面是復合型頂板，特別是在節理、裂隙發育段，施工中直接頂經常掉落；有時在綜掘機割完頂煤15 min～20 min后，剛暴露的頂板即有大塊矸石掉落，一般掉落高度為1m～1.5m。由于大面積掉頂，造成巷道頂部出現大面積空洞，不但危及井下工人安全，增加煤巷支護難度；而且空洞容易造成瓦斯積聚，加大礦井瓦斯災害隱患。

為減少掉頂的發生，在掘進施工中盡量減小控頂距，采用棚距600 mm，最大控頂距900 mm“掘一架一”的施工方法。這樣，不但影響掘進速度，而且效果不是很好，仍有隨掘隨掉現象。后又采取打撞楔的超前支護，雖可解決掉頂問題，但是頻繁打撞楔的施工方法，不但增加支護成本，而且嚴重影響掘進速度。

3 施工問題的分析

3.1 復合頂板掉落的力學分析

復合頂板的力學狀態極為復雜，分離巖塊的散體在三維空間有六個自由度，即在各個方向力和力矩作用下發生運動或保持平衡的六面體[1]。假設六面體下側有自由空間，則六面體就有沿傾斜向下的推力。當六面體有向下推的趨勢時，巖層斷裂面將產生阻止六面體下推的摩擦阻力；上側斷裂面也會由于巖層似斷未斷，而有阻止六面體下推的向上拉力；支護的迎山角也會對六面體下推有個阻力。當總阻力小于六面體向下的推力時，就會發生冒頂。對復合頂板的掘進工作面，掘進時破壞了順槽的復合頂板，可能給六面體開創一個去路，既增加產生六面體的可能性，又減小已產生六面體下推時的阻力。當六面體周圍出現一個自由空間，使六面體有了去路，而且六面體向去路方向又有一定的傾角時，在自重作用下六面體就有向去路方向的推力，從而使復合頂板出現掉渣冒頂現象。

再者，受開挖擾動的影響，巷道圍巖幫部產生的是拉應力，為應力降低區，說明此范圍的巖層由于開采擾動的作用，已經處于屈服破壞的狀態,壓應力集中區向深部轉移。在巷道頂板處部分巖層的主應力表現為拉應力，頂板巖層中部呈現拉伸破壞趨勢，頂板兩角主要呈剪切破壞趨勢[2]。巷道在掘進過程中，除產生瞬時的彈塑性變形外，隨著時間的推移還會產生蠕變變形，也就是說復合頂板的破壞程度與其空頂時間成正比。

3.2 1214（1）掘進面復合頂板冒落分析

根據復合頂板的力學分析、平衡條件、影響因素可知，導致張集煤礦1214（1）工作面順槽掘進面復合頂板經常冒落的原因有：頂板節理、裂隙發育，加速綜掘機割煤后頂板膨脹、變形、斷裂、失穩、最后掉落這一過程；1214（1）工作面的順槽凈寬5 m，凈高3.64m，順槽巷道沿煤層傾向方向向上掘進，煤層傾角2°～9°，平均5°。掘進斷面大、且有一定上山角度，使兩幫及迎頭煤體易片幫，容易導致復合頂板的失穩，而破碎的頂板在自身重力的作用下極易出現掉頂現象；在一次成巷一個掘進循環施工中，最短空頂時間30min～40min，空頂時間較長。對于不穩定的頂板，空頂時間越長，頂板在支護前就越容易膨脹、變形、斷裂，最后掉落；綜掘機在掘進割煤時，會給工作面附近的煤巖體以很強的擾動應力并產生強烈振動，增加了工作面迎頭及附近兩幫煤體片幫程度，加速工作面后方空頂區巖層膨脹變形、斷裂，使直接頂與老頂的離層加快；最終加快直接頂失穩掉落。

4 解決問題的方法

4.1 新的施工方法

通過以上分析看出，不進行超前支護時，要解決施工中的掉頂問題，必須在頂板掉落前做好支護，縮短頂板空頂時間。正常頂板情況下的施工工藝流程為：安全檢查→切割并清煤→移前探梁→架棚梁→背頂→載棚腿→背頂→載棚腿→上卡纜→背幫。

但是上述施工工藝流程在裂隙、節理發育的復合頂板條件下，卻經常發生掉頂現象，因此需要改進流程、縮短空頂時間。在頂板掉落前支護好頂板，而分部掘進、分次支護的施工方法，即先割頂部架頂梁、而后割底部載棚腿，可實現提前支護，大大縮短復合頂板的空頂時間，該施工方法的工藝流程如下：安全檢查→切割上部并清煤→移前探梁→架棚梁→背頂→上棚梁卡纜→安全檢查→切割下部并清煤→載棚腿→上棚腿卡纜→背幫。

分部掘進、分次成巷架頂梁前掘進工作面示意圖，見圖1。

圖1 分次成巷掘進工作面示意圖

4.2 分部掘進分次支護效果分析

張集煤礦1214（1）工作面運輸順槽采用分部掘進、分次成巷的施工工藝，在節理裂隙廣泛發育的復合頂板條件下，順利掘進煤巷1 000 m以上，雖與一次成巷掘進程序有所增多，掘進速度也稍有降低，但很好地解決了復合頂板隨掘隨掉問題，對于安全生產起到至關重要作用。

分部掘進、分次成巷在此種復合頂板條件下煤巷掘進取得成功，可從以下四個方面進行分析：第一，采用綜掘機掘進兩次成巷施工時，先割頂部煤后形成一個臺階（見圖1），并及時對上部剛揭露的頂板及兩側巷幫進行支護，減小巷幫兩角剪切破壞趨勢，能有效減少割底煤時巷道兩幫及上部迎頭工作面煤體片幫的發生，防止了因片幫而影響頂板的穩定性，從而減少掉頂的發生。第二，采用兩次成巷施工時，能有效的減少空頂時間。根據1214（1）工作面運輸順槽施工現場統計，綜掘機掘進一次成巷作業時，割煤需要時間為25 min～30 min；而采用兩次成巷施工時，割頂部煤需要時間12 min～15 min，可以減少空頂時間10min～18min。空頂時間越短就越容易避免掉頂，因此兩次成巷可以減少掉頂的發生。第三，綜掘機先割頂煤作業時間短，頂板巖層只發生彈塑性變形，還未處于屈服破壞狀態，相對于綜掘機一次成巷更容易避免由于割煤振動引起的掉頂。第四，兩次成巷施工，可以減少傷人事故及事故隱患，并減弱事故破壞。割頂部煤后形成一個臺階，當頂板大塊矸石掉落時先落到臺階上，從而避免傷人，即使出現事故，也由于臺階的緩沖可以減弱事故的破壞力度。再者，支護良好時，則無頂板空洞存在，可杜絕瓦斯積聚的空間，從而減少事故隱患。

5 結論

張集煤礦1214（1）運輸順槽施工中，廣泛采用新的施工方法，在頂板管理方面取得了不錯的效果。實踐證明，這一施工方法在裂隙、節理發育的復合頂板條件下，切實可行并卓有成效。在裂隙、節理發育的復合頂板條件下，采用綜掘機分部掘進分次支護，即先割頂部煤架頂梁、而后割底部載棚腿的施工方法，能有效地減少掉頂的發生，并可避免頻繁使用打撞楔的超前支護，能有效地加快掘進進度。但在遇到構造引起的頂板破碎比較嚴重時，由于割煤后頂板就有可能掉落，須打撞楔或打超前錨桿進行超前支護。

[1] 高樹山，康岱昌，等.復合頂板冒落原因和控制[J]:煤炭科技,2007，26（6）.

[2] 李日富，回采巷道圍巖三維受力特征及其維護的研究[D].太原：太原理工大學，2006.

Abstract:The paper introduces a series of technological practices and innovations to solve the problem as the fall of complex roof in joint and fracture development during the rising fully-mechanical driving in Zhangji mine.The study analyzes the practice of stepped driving and staged tunneling (that is,first cutting top beams,then cutting booth legs).The result shows its distinct effect and its benefits for the similar situation.

Key words:complex roof;shed supporting;fully mechanized driving;staged tunneling

編輯：劉新光

Fully Mechanized Driving Technology in the Condition of Complex Roof

WANG Jing-wei1,SUN Bing-xing2
(1.Zhangji Mine,Huainan Mining Group,Huainan Anhui 212300,China;2.Chongqing Institute,Coal Science Research Institute,Chongqing 400037,China)

TD262.4+2

A

1672-5050（2010）09-0047-03

2010-06-29

王敬衛（1978—），男，河南禹州人，大學本科，助理工程師，從事煤炭采掘技術研究及管理工作。