煤巷頂板冒落事故分析及其對策

馬國偉

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033600）

沿煤掘巷快速成巷技術(shù)被廣泛應(yīng)用到煤礦掘進(jìn)行業(yè)中，巷道支護(hù)穩(wěn)定性問題制約著沿煤快速成巷技術(shù)的發(fā)展。本文結(jié)合13202皮帶巷一起冒頂事故案例，深入分析研究了煤巷頂板冒落機(jī)理及其影響因素，提出了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案,為本礦類似巷道支護(hù)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 13202皮帶巷地質(zhì)條件及冒落段概況

13202皮帶巷沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層為黑色，塊狀條帶狀均有，半暗淡型，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2層泥巖夾矸，其中煤層上層夾矸較穩(wěn)定，厚0.10～0.30m，下層夾矸厚0.10～0.90m。直接頂為泥巖,厚度0～3.26m,平均厚度2.65m，灰黑色，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。基本頂為中粗粒砂巖，厚度0～15.72m，平均厚度7.53m，灰白色，粒狀結(jié)構(gòu)。底板有一層平均厚度為0.90m的泥巖和數(shù)層較厚的中細(xì)粒砂巖，粒狀結(jié)構(gòu)。

13202皮帶巷所在煤層平均厚度為3.76m，傾角9.7°，巷道斷面為矩形，巷道寬度5.0m，高3.6m。

13202皮帶巷封閉期間在720～730m、320～960m段發(fā)生了頂板冒落事故，頂板冒落巖石幾乎充滿巷道，頂板冒高達(dá)到2～2.3m，巖塊最大約1.0×1.0×0.5m，冒落區(qū)大量的錨桿發(fā)生了破斷，錨索大部分仍懸掛在頂板之上，部分錨索發(fā)生了破斷。

2 冒頂機(jī)理分析

如圖1及圖2所示，巷道正上方被錨梁加固，不會出現(xiàn)裂縫。虛支撐點(diǎn)A處的裂縫向下張開，伴隨著鄰近工作面回采采動、頂板水和風(fēng)化等作用，其擠壓作用和摩擦力越來越小,所有上覆巖體會沿巷道邊沿整體塌垮。又因這一過程是在礦壓作用下逐步形成的，因此一般發(fā)生在掘進(jìn)頭后部已錨支區(qū)。

3 影響頂板冒落的因素

3.1 動壓影響

13202皮帶巷臨近13203工作面，兩者間凈煤柱寬度20m，13203工作面正在回采，已回采3700m左右，13203工作面在回采過程中，采空區(qū)殘余支承壓力在煤柱側(cè)集中，13202工作面皮帶巷在受到13203工作面回采期間的采動影響以及采空區(qū)側(cè)支承壓力的影響礦壓顯現(xiàn)明顯。

3.2 直接頂巖層穩(wěn)定性差

13202皮帶巷大部分頂板為灰白色細(xì)～粗粒砂巖，但局部砂巖下有一層灰色泥巖，厚度約1～2.0m，很不穩(wěn)定，容易破碎冒落。通過觀察冒落區(qū)現(xiàn)場，冒落下來的矸石為泥巖，可以判定錨桿錨固區(qū)發(fā)生了冒落，當(dāng)深部錨索無有效支護(hù)時，導(dǎo)致了更大范圍內(nèi)頂板的冒落。

圖1 頂、幫支護(hù)及冒頂原理圖

圖2 巷道冒頂示意圖

3.3 巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度弱

13202皮帶巷作為強(qiáng)動壓煤巷，雖然大部分頂板為砂巖，埋深淺，但巷道原支護(hù)設(shè)計強(qiáng)度偏弱，錨索間距過大，巷道頂板中部2.7×2.0m范圍無錨索，導(dǎo)致巷道頂板端部及中部無強(qiáng)力有效的支護(hù)強(qiáng)度。結(jié)合現(xiàn)場觀測：頂板冒落巖層順錨索發(fā)生脫落，而錨索仍懸掛在頂板上，說明錨索的作用沒有充分得到發(fā)揮。此外，頂板錨桿初期預(yù)緊力低，托板傳力效果差，不能夠有效擠壓圍巖，導(dǎo)致巖層逐層脫落。

3.4 巷道幫部支護(hù)弱

13202皮帶巷兩幫采用了相同的支護(hù)材料進(jìn)行支護(hù)，巷道受到鄰近回采工作面動壓影響時，會發(fā)生嚴(yán)重片幫、鼓幫現(xiàn)象，兩幫移近量達(dá)到500～700mm，伴隨著幫部位移，巷道頂板跨度逐漸加大，大大降低了頂板穩(wěn)定性。

4 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計

對巷道頂板進(jìn)行窺視，孔深10m，間距20～30m布置一組，如圖3所示，分析巷道頂板內(nèi)部是否存在離層。根據(jù)窺視結(jié)果，巷道直接頂為泥巖且無離層，基本頂為中粗粒砂巖。基于自熱平衡拱原理，設(shè)計巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案為：巷道中部補(bǔ)打3根錨索，規(guī)格Φ21.6×5500mm，錨索用鋼帶串聯(lián)，間距1650mm，排距2.0m；巷道兩幫和頂板上破壞的錨桿必須重新補(bǔ)打，除工作面?zhèn)让簬屯猓溆噱^桿均采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ22×2600mm，配合W鋼護(hù)板，表1為具體補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)，圖4為巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案圖。

圖3 鉆孔窺視探測

表1 支護(hù)方案的具體參數(shù)

結(jié)合相關(guān)礦山壓力理論，建立相似模擬物理模型并利用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行一系列的模擬與驗(yàn)證。通過比較分析所成巷道在采用原有支護(hù)方案以及采用加強(qiáng)支護(hù)方案不同條件下，巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及頂?shù)装逡七M(jìn)量的大小，以分析加強(qiáng)支護(hù)方案的合理性，本文對FLAC3D數(shù)值相似模擬的結(jié)

果進(jìn)行了切片處理，模擬的結(jié)果如下。巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律：

圖5 原有方案巷道周邊應(yīng)力分布圖

圖6 加強(qiáng)方案巷道周邊應(yīng)力分布圖

通過圖5、圖6中的描述，相較于原有巷道支護(hù)方案，采用新的設(shè)計加固方案，巷道圍壓逐漸增加，錨桿（索）支護(hù)起到了很好的效果，使巷道圍巖重新維持了三維應(yīng)力狀態(tài)，三維應(yīng)力狀態(tài)可以有效保障圍巖的穩(wěn)定性。綜合考慮，加固方案優(yōu)于原有方案。

巷道圍巖變形規(guī)律：

圖7 原有方案巷道圍巖變形圖

圖8 加強(qiáng)方案巷道圍巖變形圖

通過圖7、圖8描述，原有方案留巷穩(wěn)定后，回采幫與非回采幫的變形量分別為30mm和100mm，頂板下沉量91mm，而底板臌起量是40mm。采取加固方案的支護(hù)形式后，留巷穩(wěn)定時回采幫與非回采幫的變形量為32mm和43mm，頂板下沉量和底板臌起量分別為25mm和10mm。可以看出加固方案是優(yōu)于原有方案的。

5 結(jié)論

（1）通過分析巷道冒頂機(jī)理，得出巷道頂板冒落失穩(wěn)危險點(diǎn)即當(dāng)巷道上覆巖層失穩(wěn)后，巖體沿巷道頂板邊緣整體塌跨。

（2）13202皮帶巷為強(qiáng)烈動壓巷道，直接頂為泥巖，穩(wěn)定性較差。通過縮短錨索間距，采用“高預(yù)緊力、高強(qiáng)度錨桿（索）、網(wǎng)+鋼帶”支護(hù)方案，可有效預(yù)防冒頂事故的發(fā)生。

（3）從原有方案到新的加固方案，不管是應(yīng)力集中還是應(yīng)力峰值的位置都在向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減小，加固方案的改變能有效地減少和控制巷道周圍破碎區(qū)和巷道表面位移，且對圍巖的穩(wěn)定有重大的影響。