煤礦近距離煤層掘進面冒頂事故防治技術研究

＊王 瓊

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業 山西 041600）

前言

基于煤礦巷道具有90%的近距離返修率這一現象，研究了煤層工作面近距離掘進時下層煤的掘進受到的幾種影響因素，如：地質多變的構造和采動上煤層的應力，都會增大復合頂板的下層支護難度，獲得較差的冒落控制，嚴重威脅通風和運輸以及行人的安全。以山西各地的煤田為例，研究了汾西和西山以及霍州和大同的煤層，近距離聯合開采的幾種限制條件：主要受瓦斯影響；不能同時開采上下煤層，會產生大量的矸石；若開采放頂煤，其回采率低且冒放性差。目前三交河煤礦運用的是分層布巷并分層開采，集團屬于霍州煤電。施工人員有一個比較棘手的問題是下層煤層近距離掘進時工作面會出現冒落。我國學者近幾年一直在降低冒頂事故的發生率，通過現場實測，分析實驗室建模，研究產生機理，重點分析了巷道下層近距離煤層的支護與圍巖的作用力以及破壞變形圍巖的機理，還分析了巷道的支護原則及特點，優化了光面爆破以及掘進工藝，最終制定了支護方案并確定了合理的支護參數。本文以某煤礦為例，結合復雜的水文地質及頂板較軟的情況，研究了頂板在下煤層破碎的原因，總結了煤層掘進近距離工作面出現冒頂的技術處理和預防工作；分析了冒頂易發和支護巷道困難的不同情況，總結了巷道復合頂板的冒頂機理。經實驗得出，制定的處理冒頂及預防技術，可以有效并可靠的消除冒頂的隱患問題。

1.概述

某煤礦的近距離煤層賦存是9號及10號，具備0.90Mt/a的生產能力。其中，煤層9號不含夾矸，厚度是0.82m至1.30m的范圍內，煤層平均厚度是1.03m，厚度均勻，夾矸簡單，頂板包含泥巖和石灰巖，而底板大部分是泥巖；煤層10號的厚度是1.65m至2.80m的范圍內，煤層平均厚度是2.19m，夾矸層在0～1m之間，厚度均勻，夾矸簡單，頂板大部分是泥巖，底板大部分是粉砂巖。煤層10號的2.03m至6.97m是煤層9號，一般都是4.89m的間距。用煤巷布置回采及采區巷道。一條230m斷距的正斷層賦存在井田中部，會出現褶曲或陷落柱以及小斷層。巷道掘進時，煤層9號開采完成，10號支護復合頂板不好，屬于破碎的地質構造，而且煤層9號和10號相距不遠，會發生嚴重的冒頂。

2.掘進時杜絕工作面冒頂的措施

(1)設置合適的掘進參數

①重新設計巷道布置

結合采區實際的平面工程圖和勘探成果以及地質報告，分析應力和采動變化以及劃分水文地質和不同的地質構造情況，重新設計規劃采區的工作面布置，布置錯位圖是：斷層方向一定要垂直于巷道布置與采煤方式，但要平行于回采巷道。在巖層穩定的區域布置巷道，可以更好的維護后期巷道，減小巷道掘進產生的構造應力。

②設置合適的支護參數

由于9號和10號煤層特殊的地質條件及圍巖應力，導致開采了煤層9號的上層后，10號的復合頂不夠堅硬，會發生采動裂隙，頂板會更加破碎，強度變低，掘進巷頂板逐漸和煤層10號出現離層。所以，要重新設置參數，設置新的支護方式。

A.架棚支護

現場一旦開挖，如果只用錨網支護，會出現冒落。所以采用新的支護方式為：鋼棚與錨網+聯合支護或者架棚支護。

a.施工方法的改變。巷道掘進的施工工藝是預留隧道的核心土法：巷道開挖順序是左右上頂，展開支護；然后從左右腰線開挖附近巖石，并實時支護；核心土要在最后開挖；b.棚距要相應減少：計算破碎頂板產生的巖石容重及工作阻力，實驗模擬現場，對棚距調整數據為0.6m的距離；c.超前預支護以及預加固：撞楔要超前打在棚梁上，實現預支護超前；錨桿用管縫注漿，實現圍巖提前加固，見圖1。“架棚加錨網”的聯合支護方式要在巷道煤間距是3m至5m之間進行支護，這種支護方式結合了主動加被動的支護模式，可以很好的防止巷道出現變形及冒落情況，使巷道更加完整。

圖1 煤間距3-5m采用“錨網+架棚”聯合支護

B.錨網支護

錨桿受力方式主動，所以巷道支護頻繁使用錨桿支護。但是煤層巷道的頂板間距超過5m以后，就需要重新設置支護參數，因為巷道頂板雖然能自穩但易破碎。最終確定的高強錨桿長是2200mm，其計算法主要有：經驗公式和三鉸拱內力以及組合梁和錨桿懸吊理論等四種計算方法，進行分組模擬實驗時，要計算各種錨桿密度及參數，來確定錨桿支護的準確數據：700mm×700mm的錨桿間距；短錨索1600mm間距，頂板5.0m。采用的W寬鋼帶的錨桿，具備高強力加高預應力，可以保持完整的煤巖層淺部頂板；采用高預緊力的短錨索，具備的組合梁更大，可以綜合提升懸吊頂板的能力。

(2)制定預防地質構造的相關措施

采用物探技術了解井田地質狀況，研究陷落柱及斷層的構造；針對煤層近距離等厚線，重新設置支護參數并設計巷道層位；掘進方案要依靠斷層產狀揭露來制定。

3.制定工作面掘進冒頂的方案

(1)降低巷道架棚發生冒頂

①當煤壁片幫情況少且煤頂板的上覆完整時，或者巷道掘進出現煤冒落及少量矸石時，要安設木垛來處理頂板冒落，具體是：施工人員選擇完整的支護地段進行站立，凈煤矸可以選擇先不往外運，先清頂，用長桿進行，及時設立支架，選擇迎坡地段，并用木垛去接頂搭設，用兩幫背板進行支架聯鎖，以此確保支護更具整體性，流程如圖2。

②當冒頂高或頂板破碎時，控制頂板冒落的方式要超前對上層制定措施，對上部頂板進行控制，具體方法有兩種：A.用預注漿的方式進行預加固。為了把煤巖松散的狀態凝固成一個整體，就要在掘進時預先利用加壓泵把水泥漿液注漿到前方的鉆孔，等達到強度后，再繼續支護頂板并正常掘進，以此制作人工假頂。B.撞楔法。架設支架在冒落區附近，已經支護的地段用大錘從頂梁支架上每200mm打進一列撞楔到新支架頂梁，然后超前在頂板的預支護過程，實時出矸，接著再重復進行下一支架。一定要反復加強立柱窩及迎頭兩幫的重點部位，穿越破碎區后即可停止。

(2)降低錨網巷道發生冒頂

巷道頂板1.5m范圍內的冒落，具備完整的頂板，且冒落層位穩定，此時加密形式可以用原來的支護方式，進行錨索補打。施工前先用臨時支護去保護施工人員，對冒頂頂部進行逐個打點柱，并噴射混凝土，等待厚度達到30mm至50mm范圍后，巷道頂板的上下兩幫可以密封。等待鋼筋混凝土第一次噴射的全部達到凝固后，再進行錨桿施工及錨索，最后再進行掛網，復噴厚度要超過150mm。如果掉落的冒頂高度大于1.5m，則不可以再用錨網支護，一定要選擇架棚支護。

4.結語

該礦巷道掘進時，針對工作面發生冒頂的情況，進行了大量實驗操作，得到新的支護參數，投入到實際生產中，采取了新的方案和措施以后，在坍塌事故發生之前，利用頂板的預先支護措施，可以促進成巷速度，有效的減少維護巷道的成本。經驗證，本文的措施可以真實有效的降低冒頂事故，減少頂板破碎，加強礦井安全，實現高效生產。