高應力厚煤層沿底掘進冒頂事故成因及預防與處理技術研究

劉寶珠 苑龍峰

（開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000）

高應力厚煤層沿底掘進冒頂事故成因及預防與處理技術研究

劉寶珠 苑龍峰

（開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000）

以唐山礦T1391工作面為研究對象，針對該面掘進期間多次發生冒頂事故的現象，分析了事故成因，并相應地采用小板超前控頂、打超前錨桿控制掘進工作面及上頂、用注煤體固化劑及充填材料固化周邊煤體等技術措施完成工作面的各項掘進施工工作。

高應力 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，當地應力較大時，因煤層硬度比較低，容易造成松散破壞。工作面巷道掘進時，受到破壞的煤體極易造成冒頂事故，給掘進工作帶來極大威脅，制約工作面的掘進，甚至不得不修改工作面設計，造成煤炭資源的損失。唐山礦T1391工作面巷道掘進為此類典型的煤巷掘進，此工作面的成功掘進為以后類似條件施工積累了豐富的經驗。

1 工作面概況

T1391工作面開采深度－680～－780m。工作面為8＃、9＃合區煤層工作面。T1391工作面東、西部均為采空區。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°。煤層中發育有2～3層夾石，主要為炭質泥巖，厚度在0.1～0.5m之間。煤層單向抗壓強度19.7MPa。老頂為5m厚的砂質泥巖，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

冒頂事故發生的根本原因是開采過程中礦山壓力的活動所造成。頂板在礦山壓力活動過程中發生不同程度的變形，先是沿著頂板節理出現裂隙，產生離層現象。此時，如果頂板管理不當、支護質量不好、壓力繼續增大、巖石變形超過彈性變形極限，就會出現斷裂、垮落、片幫或局部冒頂。

T1391工作面掘進的過程中，切眼、運煤巷外段、大面風巷出現較大壓力，并且有數次冒頂的現象。經分析，誘發事故的主要因素有煤層埋深、地應力及構造應力、煤質松軟、孤島煤柱、巷道布置的不合理、施工設備及傳統技術的限制、設備的持續震動等。

2.1 地質條件影響分析

本區域煤層埋藏較深，處于向斜構造的一翼，存在皺曲、斷層等構造，地應力及構造應力均較大。8＃煤層煤質松軟，強度低，當夾矸破碎后，極易冒至頂板甚至大面積冒頂。

此區域為保留煤柱，兩側為采空區，孤島煤柱條件造成應力高度集中，煤體原始條件造成極大破壞，失去了整體穩定性。

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、小面兩個工作面。大面運煤巷道布置在T1392采空區邊緣，風道位于T2290板、底邊眼之間；T2290底邊眼為小面運煤巷，小面風道布置在停采線邊緣。

巷道均為沿底掘進施工，在掘進的過程中大面風道、運煤巷外段壓力較大，多次出現冒頂等現象。經分析，該段巷道均處于應力疊加區域。

2.3 開采工藝影響分析

（1）施工設備的制約。主鉆長度過長，為950 mm，采用金屬拱形支架支護時，施工荒斷面深度達到1000mm以上，這導致施工過程中控頂距受限，易造成控頂距過大。

（2）設備震動影響。掘進機寬度與施工斷面不匹配，掘進時需要進車兩次，從而導致掘進工作面控頂時間增長，當主鉆破煤時，對頂板造成較大震動，上頂煤體跨落，如控頂不及時，易造成冒頂事故。

3 冒頂防治措施

根據巷道壓力的增加，防治冒頂增加了不同措施：傳統的撞楔、小板超前控頂；打超前錨桿控制掘進工作面及上頂；采用注煤體固化劑固化周邊煤體；改進掘進工藝；優化工作面設計。

3.1 傳統超前控頂方式

傳統控頂方法采用小板、撞楔對掘進工作面進行控制。掘進施工時，在掘進工作面末架及末二架之間，對上頂及兩幫向掘進工作面方向打1.5m長小板或2.0m的撞楔進行超前控頂。先采用人力手鎬刷出斷面，將小板、撞楔鑿入掘進工作面實體內，達到超前控制上頂的目的，然后在超前控頂的范圍內進行掘進及架棚支護。支護示意圖見圖2。

圖2 支護示意圖

3.2 超前控頂方法

3.2.1 樹脂錨桿控頂

在上山掘進過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，對掘進工作面煤壁不能有效控制；當上山角度大、煤體松散時，出現向前方偏幫距離遠，傳統的方式不能有效控制。為此用增加超前錨桿的方法進行超前控制。采用樹脂錨桿超前支護是利用了錨桿的錨固作用，對上山煤壁進行有效控制，成功保留煤垛，防止掘進工作面煤體進一步坍塌。

超前錨桿能起到控制煤垛和控制上頂煤體的作用。超前錨桿的數量根據煤體松散的程度可以適當增加或縮減。一般施工的過程中采用超前錨桿配合小板撞楔使用，可以達到較好的效果。樹脂錨桿長2200mm，錨桿數目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。穿越煤層時曾使用過管縫錨桿進行超前支護，對巷道掘進發揮了非常有效的作用。管縫錨桿直徑為50mm，錨固原理為膨脹預緊力全長錨固。管縫錨桿比樹脂錨桿粗，錨固距離長，可以托住上頂達到超前控頂的作用，管縫錨桿可以實現較長距離的控頂。錨桿長度2400mm；錨桿數目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合作用范圍600mm。根據煤層的松散程度可以加密或減少錨桿的數量。管縫錨桿超前支護圖4。

3.3 超前注煤體固化劑方法

根據掘進巷道的壓力條件，對難以控制地段采用超前注煤體固化劑的方法，將掘進前方煤體進行固化，根據固化的超前長度確定掘進的循環長度。

在T1391工作面的大面風道運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。當巷道壓力大、煤體難以控制時，適當減少掘進的工程量。煤體固化劑超前固化距離為6～8m，每天的掘進量控制在6 m以內，從而防止了冒頂事故的發生。掘進工作面注煤體固化劑布置見圖5。

3.4 設計優化

防止發生冒頂事故最關鍵的方法為設計優化，即將巷道設計在壓力小或免應力區域內。T1391工作面掘進的過程中，大面刮板輸送機道、小面風道大部分段巷道壓力相對較小，大面風道、運煤巷、切眼部分段壓力較大。初步分析，鄰近采空區凈距離5m的巷道壓力較小，布置在兩條巷道中間，間距20m為應力高度集中區。在鄰近巷道掘進凈距離為3m的巷道壓力較小，變形不嚴重，在老硐下方掘進、穿過老硐時巷道壓力不大。下面對T1391工作面掘進的過程中出現的問題做一下簡單介紹。

圖5 掘進工作面注煤體固化劑布置設計圖

（1）在T1391小面風道開門掘進時，周圍鄰近巷道非常多，巷道非常密集。但是在掘進的過程中巷道的壓力很小，沒有抽冒的情況發生。并且在以后回采的過程中這段巷道變形量是最小的。經分析小面風道開門140m巷道壓力小的主要原因為距離T2290回風邊眼較近，兩巷道的圍巖體相互連接形成類似自然拱的支護條件，因此掘進過程中及以后的使用過程中均表現壓力小。

（2）T1391小面風道在掘進的過程中，巷道壓力較大，煤炮十分頻繁。經力學分析后發現掘進巷道距離采空區較遠，最終決定將最后140m的巷道向采空區方向偏移5m，使巷道壓力在掘進時明顯變小，控頂非常容易，并且很少有煤炮發生。

（3）T1391大面運煤巷外段是一個典型的反面例子，此段巷道位于T1390底邊眼與12號井出車線之間，間距均為20m左右，在掘進的過程中，巷道壓力非常大，屢次發生冒頂事故，甚至出現停滯掘進的情況。經分析運煤巷正好處在T1390底邊眼與出車線的高應力疊加區域，會出現極大的壓力。

工作面設計的過程中要充分的考慮現場條件，一些數據性的經驗往往是根據某一現場得出，當煤層、頂底板巖性變化，煤層的傾角變化，構造應力發生變化時，都會對巷道的應力場有較大影響，因此設計必須因地制宜，不可一概而論。

4 冒頂事故處理措施

掘進過程中，因地質條件變化等存在不能準確預知的情況，因此條件突然變化時有可能發生冒頂事故。發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施工。

4.1 傳統方法

當發生小面積抽冒，采用傳統超前控頂方法進行冒頂的處理。

當丈板超前控頂時，將掘進工作面控制好，在掩護支護下采用上部打木垛接頂控制好頂板。當丈板不夠長時，還可以穿軌道或U型鋼等材料進行控頂。傳統方法處理過程中需要出煤，將掘進工作面清出操作空間，然后架設支護材料進行控頂處理。但是傳統方法對于小面積抽冒簡單實用，對于冒頂范圍較大，處理存在較大的危險性時，需要選取其他更為有效的措施。

4.2 煤體固化和充填方法

當發生大面積冒頂事故后，采用煤體固化和填充法進行冒頂的處理。

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

5 結論

（1）頂板在礦山壓力活動過程中發生不同程度的變形，先是沿著頂板節理出現裂隙，產生離層現象。此時，如果頂板管理不當、支護質量不好、壓力繼續增大及巖石變形超過彈性變形極限，就會出現斷裂、垮落、片幫或局部冒頂，這是造成冒頂事故頻發的根本原因。

（2）高應力復雜環境下的防冒頂的關鍵是合理的巷道設計，需要將巷道選擇在地質條件和開采條件好的區域；工作面設計完成后，對巷道的壓力條件作出前期準確預測。對難以避免的高應力巷道，提前做好充分的監測和預防措施。

（3）對于小面積冒頂可以采用丈板超前控頂和U型鋼等材料控頂的傳統方法；當發生大面積冒頂時，采用煤體固化劑固化煤體及充填材料充填接頂處理。

（4）通過對唐山煤礦T1391工作面高應力厚煤層巷道沿底掘進過程中冒頂事故的成因分析以及預防與處理方法的成功應用，為以后類似的巷道掘進與支護提供了理論指導及參考。

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［3］ 劉新河，田靈濤等.薛村礦高應力軟巖巷道支護數值模擬研究［J］.中國煤炭，2009（3）

［4］ 謝和平，彭蘇萍，何滿潮.深部開采基礎理論與工程實踐［M］.北京：科學出版社，2005

［5］ 王兆申，孟飛，孫學軍.深井高應力巷道錨桿支護設計優化研究［J］.中國礦業，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，高級工程師，工程碩士學位，1993年7月參加工作，現任開灤集團公司唐山礦業分公司經理。

（責任編輯 張艷華）