近距離煤層掘進面冒頂防治技術探討

賈華華，何廣宏

（1.山西晉煤集團洪洞晉圣榮康煤業有限公司，山西 洪洞041600；2.山西汾西同達工程設計有限責任公司，山西 介休032000）

近距離煤層下層煤掘進工作面受上煤層的采動應力及復雜地質構造等諸多因素的影響，造成下層掘進工作面的復合頂板支護難度大、冒落控制差，對行人、運輸、通風等構成很大的威脅。有關數據表明，我國煤礦近距離煤層巷道的返修率高達90%以上。近距離煤層群賦存在山西的大同、西山、霍州、汾西等煤田，采用聯合開采受到瓦斯等條件限制；上下一次同時開采，矸石含量大，不經濟；采用放頂煤開采，冒放性差，回采率底。現汾西正升煤礦采用分層開采、分層布巷，近距離煤層下層煤掘進工作面冒落問題一直困擾著現場施工人員。近年來，我國學者針對近距離煤層掘進工作面冒頂事故的產生機理通過實驗室建模分析和現場實測等手段，對近距離煤層下層煤巷道的圍巖變形破壞機理、圍巖與支護的相互作用關系以及巷道的支護特點與支護原則進行了分析，確定了近距離煤層掘進工作面合理的支護方案與支護參數，改進掘進工藝和光面爆破[1]。但對于近距離煤層掘進工作面冒頂的預防分析及處理技術還有待進一步總結。本文根據某煤業公司煤層頂板較軟、水文地質條件復雜及近距離煤層下煤層頂板破碎等因素，針對回采巷道掘進支護過程中巷道支護困難、易發生冒頂的實際情況，分析近距離煤層復合頂板巷道冒頂的機理，研究近距離煤層巷道的冒頂預防分析，總結出合理的處理技術，并通過現場實測驗證理論分析的可靠性，為解決嚴重冒頂安全隱患，實踐探索出一套冒頂預防及處理技術。

1 概述

某煤業公司為兼并整合礦井，設計生產能力規模為0.90 Mt/a。賦存9、10 號煤層，屬于近距離煤層群。9 號煤層位于太原組下段上部，煤層厚度0.82～1.30 m，平均1.03 m，不含夾矸，夾矸結構簡單，厚度變化不大；頂板以石灰巖、泥巖主，底板以泥巖為主。10 號煤層位于太原組下段上部，上距9 號煤層間距為2.03～6.97，平均4.89 m，煤層厚度1.65～2.80 m，平均2.19 m，含0-1 層夾矸，夾矸結構簡單—較簡單,厚度變化不大，頂板以泥巖為主，底板以粉砂巖為主。采區巷道和回采巷道都采用煤巷布置。由于井田中部賦存一條下團柏正斷層（斷距230 m），導致井田范圍內次生小斷層、陷落柱、褶曲等地質構造比較發育，巷道掘進期間遇到地質構造比較破碎的地區，9、10 號煤層間距太近，9號煤已開采，10 號煤層巷道復合頂板的支護效果差，冒頂嚴重。

2 掘進工作面冒頂的預防

2.1 優化巷道掘進參數

（1）優化巷道布置設計

根據采區范圍內的地質報告、勘探成果和采掘工程平面圖，充分考慮各種地質構造、水文地質劃分和采動及應力變化，確定采區總體布置設計和工作面規劃設計，采區采煤方式和巷道布置方向盡可能與斷層方向垂直，回采巷道盡可能與斷層方向平行錯位布置[2]。巷道布置在穩定的巖層中，有效避免構造應力對巷道掘進和巷道后期維護的影響。

（2）優化支護參數

根據圍巖應力和地質技術條件，9、10 號煤底板等距線圖并試驗研究觀測，上層9 號煤層開采后，10 號煤的軟弱復合頂出現許節理多及采動裂隙，圍巖應力變化，使得頂板強度變低、破碎，使10 號煤掘進巷的頂板發生離層[3]。因此，需根據具體情況合理地選擇支護方式、參數。

a、錨網支護

巷道支護一般以主動受力的錨桿為主。煤層間距5 m 以上的巷道頂板，同時巷道頂板較破碎但能自穩，盡可能優化錨網支護參數。根據錨桿懸吊理論計算法、組合梁理論計算法、三鉸拱內力計算法、經驗公式計算法等確定選用長度2 200 mm 的高強錨桿，分組對不同的錨桿參數和密度進行錨桿支護模擬實驗，確定錨桿間排距700 mm×700 mm；高預應力錨桿配合強力W 寬鋼帶使頂板淺部煤巖層保持完整性；利用短錨索施加高預緊力，頂板5.0 m 短錨索，間距1 600 mm。形成更大的組合梁，提高頂板懸吊能力。

b、架棚支護

若根據現場情況開挖后就冒落，研判無法采用錨網支護，及時改采用架棚支護或采取錨網+鋼棚聯合支護。

①改變施工方法。巷道掘進采用隧道的預留核心土法施工工藝，先從巷道左右上頂開挖，及時支護；再開挖左右腰線附近的巖石，及時支護形成有效支護，最后開挖核心土；②適當的縮小棚距：根據頂板破碎情況，經工作阻力和巖石容重計算，并經模擬驗證，調整棚距降低到0.6 m 左右；③超前預加固、預支護：棚梁上打超前撞楔，進行超前預支護；或采用管縫注漿錨桿,提前加固圍巖。圖1為煤間距3～5 m巷道支護采用“錨網+架棚”聯合支護，利用主動支護和被動支護相結合的形式，有效的控制巷道冒落、變形，增加巷道完整性。

圖1 煤間距3～5 m 采用“錨網+架棚”聯合支護

2.2 地質構造預防措施

根據井田的地質情況，及時選用物探技術，調查斷層、陷落柱等構造；根據近距離煤層等厚線，確定巷道層位和支護參數；根據揭露斷層產狀，制定掘進方案。

3 掘進工作面冒頂的處理措施

3.1 架棚巷道冒頂的處理措施

（1）上覆的煤頂板較完整、煤壁不易片幫時，巷道掘進范圍外的少量矸石或煤冒落，處理冒落頂板采用安設木垛的方法：可暫不運出凈煤矸，人員站在靠支護完整段，用長桿清頂，及時迎坡架設支架，支架上搭設木垛并接頂，同時兩幫背板背實，支架聯鎖,以增強支護的整體性，見圖2。

圖2 木垛法處理冒頂斷面

（2）頂板破碎、冒頂高，采用預先或者及時控制上層頂板冒落措施，控制上部頂板的兩種方法[4]：①撞楔法。在靠近冒落區架設支架，用大錘隔200 mm間距從已支護段支架頂梁上向新架設的支架頂梁上打入一排撞楔，在超前預支護的頂板下，及時出矸，再架設下一架支架，注意迎頭兩幫和立柱窩重點部位加固，循環往復，直至穿越破碎帶。②提前預注漿加固法。水泥漿液通過加壓泵向掘進前方預先鉆孔預先注漿，使松散煤巖固結成整體，待形成強度后，再進行正常掘進支護頂板，形成人工假頂。

3.2 錨網巷道冒頂的處理措施

巷道頂板冒落1.5 m 以內且該處有穩定冒落層位后，以上頂板較完整時，可考慮繼續采用原支護加密，補打錨索。施工前，先依次打點柱等臨時性的支護掩護支護人員，向冒頂頂部噴射30～50 mm厚的混凝土密封巷道頂板后，再密封上下兩幫。初次預噴的鋼筋混凝土全部凝固后，然后依次施工錨桿和錨索，再掛網復噴，其厚度一般不低于150 mm。如果發現冒頂掉落高度大或者無法繼續采用錨網支護時，要及時改用架棚支護。

4 結語

某煤業公司經生產實踐和反復驗證,當掘進巷道工作面遇到冒頂坍塌事故及時采取以上措施,能夠有效的預先支護頂板,巷道維護成本低,加快成巷速度，為頂板破碎、冒頂事故頻發的礦井的安全、高效生產提供技術支持。