淺探急傾斜松軟突出煤層掘進(jìn)防高幫片幫技術(shù)

馬文峰 王茗田

摘 要：李子埡煤礦南二井煤層傾角達(dá)48°，為急傾斜煤層，礦井屬煤與瓦斯突出礦井，煤層結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，但煤層松軟且局部軟煤層較厚，容易發(fā)生片幫，實(shí)體煤層掘進(jìn)時(shí)高幫及頂板壓力大。煤巷掘進(jìn)期間高幫煤層容易片幫、漏冒，固定架料頂梁的錨桿在剪切力作用下頻繁發(fā)生斷裂現(xiàn)象，且已施工的煤巷高幫架料容易變形、頂板容易下沉及離層后期巷修工程量大，給礦安全生產(chǎn)管理工作帶來(lái)了巨大的壓力。本文通過(guò)對(duì)煤巷高幫片幫支護(hù)方式的優(yōu)化研究，確保煤巷高幫及頂板得到有效控制，保障了掘進(jìn)作業(yè)安全。

關(guān)鍵詞：急傾斜;松軟突出煤層;防高幫片幫;優(yōu)化支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0166-02

0 引言

李子埡煤礦南二井屬煤與瓦斯突出礦井，礦井核定生產(chǎn)能力30萬(wàn)t/年，相對(duì)瓦斯涌出量36.5m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量25.2m3/min。礦井井田范圍位于龍王洞背斜東翼，煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單、煤層單一，煤層厚度1.4m～3.60m，平均厚度約2.4m，煤層傾角為42°～82°，平均48°。煤巷掘進(jìn)期間受掘進(jìn)工藝、支護(hù)技術(shù)、煤層松軟等綜合因素影響，高幫容易片幫、頂板上的盲區(qū)支護(hù)困難，支護(hù)效果差，原有的支護(hù)方式不能滿(mǎn)足需要，為此，優(yōu)化急傾斜煤層煤巷掘進(jìn)高幫片幫后的處理方式及頂板支護(hù)技術(shù)為當(dāng)務(wù)之急。

1 基本概況

1.1 地質(zhì)情況

根據(jù)已揭露的煤層資料顯示，礦井開(kāi)采的K1煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度為1.4m～3.6m，平均厚度約2.4m，煤層結(jié)構(gòu)為：0.35（0.12）0.9（0.08）0.8m，煤層硬度系數(shù)f=0.3～1。煤層產(chǎn)狀為128°∠48°，傾角42°～48°。

煤層直接底為灰黑色泥巖夾粘土巖，含植物碎片化石及黃鐵礦結(jié)核，遇水易泥化，厚約2m，硬度系數(shù)f=3～12;基本底為中砂巖、鋁質(zhì)泥巖、石灰?guī)r，厚約212m，硬度系數(shù)f=4～6。

煤層直接頂為灰黑色泥巖，含生物化石碎屑及黃鐵礦結(jié)核，厚約7m，硬度系數(shù)f=3～5;基本頂為石灰?guī)r、粉砂巖、泥巖，厚約23m，硬度系數(shù)f=8～12。

1.2 原巷道斷面及支護(hù)方式

由于煤層傾角大，巷道斷面形狀設(shè)計(jì)為異形，巷道掘進(jìn)斷面尺寸為：巷道下寬4400mm，高幫高2600mm，矮幫高1500mm，中高3900mm，原巷道高幫煤層采用架料支護(hù)，頂板及矮幫采用金屬網(wǎng)+錨桿+錨索+鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)。如圖1所示。

原支護(hù)方式具體參數(shù)：頂板每排共布置5根φ20×2500mm樹(shù)脂錨桿，其中上、下兩端的錨桿與頂?shù)膴A角為65°，中間3根錨桿垂直頂板，錨桿間距為800mm，排距為800mm，每隔3.2m施工一根φ15.24×7300mm錨索，布置在頂板上端以下第二根錨桿處（替代第二根錨桿）;頂板下端第一根錨桿以下300mm為矮幫上端錨桿，矮幫錨桿共兩根，規(guī)格為φ20×2000mm樹(shù)脂錨桿，排距800mm，間距800mm～1000mm;高幫采用金屬支架、金屬網(wǎng)及笆片、排柴作為永久支護(hù)，金屬支架間距為800mm（中對(duì)中），金屬支架梁、腿選用11#礦用工字鋼。

1.3 掘進(jìn)方式

采用全斷面遠(yuǎn)距離爆破一次成巷方式掘進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)出矸，后續(xù)采用皮帶運(yùn)輸進(jìn)倉(cāng)，機(jī)車(chē)加礦車(chē)運(yùn)出地面。

2 存在的問(wèn)題

（1）煤層頂板來(lái)壓后固定架料頂梁的錨桿容易斷裂，容易造成巷道垮冒。

（2）頂板及巷幫來(lái)壓后，高幫架料“翹腳”及頂梁變形嚴(yán)重。

（3）爆破震動(dòng)較大，而且不可控，容易破壞煤層完整性，加重煤壁片幫程度，既削弱了支護(hù)效果，又導(dǎo)致應(yīng)力重新分布而發(fā)生誘導(dǎo)突出威脅，同時(shí)充填安全威脅大、施工困難，且充填物較大程度的影響了后期順層鉆孔封孔效果，導(dǎo)致其抽放質(zhì)量差。

（4）煤層松軟，高幫上部煤層在爆破后等待排放有毒有害氣體時(shí)間為30min，造成高幫煤壁、頂板暴露時(shí)間長(zhǎng)、面積大，容易在自重或瓦斯壓力作用下發(fā)生漏冒現(xiàn)象。

（5）巷道受水力壓力影響，巷道容易發(fā)生離層，底鼓等現(xiàn)象。

3 研究思路

一是掘進(jìn)期間及時(shí)使用沙袋、注漿材料等充填架料后方空洞，確保架料背幫嚴(yán)實(shí);二是優(yōu)化炮眼布置，降低裝藥量，減少爆破煤層的破壞;三是施工走向錨梁主動(dòng)加固煤層頂板同時(shí)減少頂板與煤層交界處的支護(hù)盲區(qū);四是對(duì)巷道進(jìn)行全斷面噴漿封閉，防止頂、幫風(fēng)化。

4 實(shí)施方案

4.1 優(yōu)化炮眼布置及裝藥量

一是減少較硬煤層中的炮眼個(gè)數(shù)，適當(dāng)增加底板巖層中的炮眼個(gè)數(shù);二是煤層軟煤層厚度大于1.4m時(shí)可取消原軟分層煤層中布置的炮眼;三是炮眼盡量布置在巖層中，減少對(duì)高幫煤層的破壞;四是降低每個(gè)炮眼裝藥量，煤層中布置的炮眼每個(gè)炮眼裝藥量不大于200g，底板巖層中每個(gè)炮眼裝藥量不大于600g，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤巖層硬度做調(diào)整。

4.2 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

根據(jù)多年急傾斜煤層巷道施工經(jīng)驗(yàn)和支護(hù)參數(shù)的考察，急傾斜煤層巷道永久支護(hù)采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、噴漿及金屬整體支架聯(lián)合支護(hù)是可靠、有效的，但針對(duì)實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題需改進(jìn)支護(hù)參數(shù)，具體方式如下：

頂板每排共布置4根φ20×2500mm樹(shù)脂錨桿及一根φ15.24×3.5m錨索，頂板最上方固定架料頂梁的3.5m錨索與頂板面夾角成45°夾角向上施工，盡量減少頂板上方支護(hù)盲區(qū)，頂板最下方的錨桿與巷道矮幫夾角為30°，中間剩余3根錨桿垂直頂板施工，錨桿間距為800mm，排距為800mm，頂板中間每隔3.2m施工一根φ15.24×7300mm錨索，垂直布置在頂板上端以下第三根錨桿處（替代第三根錨桿），同時(shí)在距固定架料頂梁的錨索下方500mm處沿巷道走向施工一排錨梁（2m的W型鋼帶+2根φ15.24×7300mm錨索，錨索間距1.6m，與頂板面夾角為60°），錨梁施工距磧頭的距離不超過(guò)3m，搭接處的錨索在下組錨梁施工時(shí)鎖緊，頂板上還需鋪設(shè)錨網(wǎng)及鋼筋梯。

矮幫共布置兩根錨桿，規(guī)格為φ20×2000mm全螺紋樹(shù)脂錨桿，排距800mm，間距600mm，第一根錨桿布置在矮幫與頂板結(jié)合部下方600mm處，垂直與矮幫施工，第二根錨桿錨桿與水平面成20°向下施工。

高幫采用金屬整體支架、金屬網(wǎng)及笆片、排柴作為永久支護(hù)，金屬支架間距為800mm（中對(duì)中），金屬支架梁、腿選用11#礦用工字鋼，架料與架料之間采用專(zhuān)用連桿連接，將架料連接成一個(gè)整體，每?jī)杉芰喜捎?.1m長(zhǎng)11號(hào)礦用工字鋼配合兩根φ20×2000mm全螺紋樹(shù)脂錨桿對(duì)架料腿子進(jìn)行加固，最后采用噴漿支護(hù)封閉斷面，如圖2所示。

4.3 空洞充填處理

煤巷在掘進(jìn)期間高幫側(cè)容易出現(xiàn)垮冒，形成空洞，如果形成的空洞不及時(shí)進(jìn)行充填處理，一是掘進(jìn)期間安全威脅大，容易造成頂板垮冒推垮架料，造成事故;二是后期如造成采煤工作面下出口頂板破碎持續(xù)加大，增大回采期間下出口管理難度，因此，在掘進(jìn)期間做好該項(xiàng)工作十分重要。

掘進(jìn)期間高幫垮冒形成的空洞大小不一，有的只有幾個(gè)立方，有的空洞則是有幾十個(gè)立方， 如果小空洞不及時(shí)處理，任其自然垮落，那么很大程度上會(huì)形成較大空洞，為后期回采帶來(lái)處理難度。

掘進(jìn)期間煤巷高幫形成空洞后，應(yīng)立即采取有效措施進(jìn)行處理，處理方式有兩種，對(duì)于空洞深度小于500mm，寬度小于1m的空洞采用沙袋充填，對(duì)于空洞深度大于500mm，寬度大于1m的空洞采用噴漿充填的方式進(jìn)行封堵。

5 實(shí)施效果

實(shí)施通過(guò)將固定架料頂梁的錨桿替換成錨索后，固定架料頂梁的錨索被剪切斷的情況在施工期間還未出現(xiàn)，提前在頂板上施工走向錨梁不僅增大了支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)也減少了頂板上方的支護(hù)盲區(qū);通過(guò)及時(shí)處理垮冒形成的空洞，防止了頂板在自重力作用下進(jìn)一步垮冒，不僅能有效提高掘進(jìn)期間的安全性，還能夠提高回采期間下出口頂板穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)采急傾斜煤層的礦井較少，而且開(kāi)采急傾斜煤層都會(huì)選擇結(jié)構(gòu)比較單一的煤層進(jìn)行開(kāi)采，像我礦開(kāi)采的這種急傾斜、三軟（頂板軟、煤層軟、底板軟）且有突出危險(xiǎn)性的煤層十分罕見(jiàn)，在掘進(jìn)期間極易發(fā)生片幫，從而造成大型冒頂事故，我礦通過(guò)對(duì)煤巷掘進(jìn)防高幫片幫支護(hù)技術(shù)的研究，總結(jié)出采用整體金屬架料配合錨索、走向錨梁聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)巷道頂板及煤層高幫進(jìn)行支護(hù)后，效果顯著。采用噴漿充填能夠有效防止高幫煤層進(jìn)一步擴(kuò)大，提高煤層及頂板支護(hù)的可靠性，便于掘進(jìn)和回采期間的頂板管理，滿(mǎn)足安全使用。