浅探急倾斜松软突出煤层掘进防高帮片帮技术

马文峰 王茗田

摘 要：李子垭煤矿南二井煤层倾角达48°，为急倾斜煤层，矿井属煤与瓦斯突出矿井，煤层结构基本稳定，但煤层松软且局部软煤层较厚，容易发生片帮，实体煤层掘进时高帮及顶板压力大。煤巷掘进期间高帮煤层容易片帮、漏冒，固定架料顶梁的锚杆在剪切力作用下频繁发生断裂现象，且已施工的煤巷高帮架料容易变形、顶板容易下沉及离层后期巷修工程量大，给矿安全生产管理工作带来了巨大的压力。本文通过对煤巷高帮片帮支护方式的优化研究，确保煤巷高帮及顶板得到有效控制，保障了掘进作业安全。

关键词：急倾斜;松软突出煤层;防高帮片帮;优化支护

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0166-02

0 引言

李子垭煤矿南二井属煤与瓦斯突出矿井，矿井核定生产能力30万t/年，相对瓦斯涌出量36.5m3/t，绝对瓦斯涌出量25.2m3/min。矿井井田范围位于龙王洞背斜东翼，煤层构造简单、煤层单一，煤层厚度1.4m～3.60m，平均厚度约2.4m，煤层倾角为42°～82°，平均48°。煤巷掘进期間受掘进工艺、支护技术、煤层松软等综合因素影响，高帮容易片帮、顶板上的盲区支护困难，支护效果差，原有的支护方式不能满足需要，为此，优化急倾斜煤层煤巷掘进高帮片帮后的处理方式及顶板支护技术为当务之急。

1 基本概况

1.1 地质情况

根据已揭露的煤层资料显示，矿井开采的K1煤层结构简单，厚度为1.4m～3.6m，平均厚度约2.4m，煤层结构为：0.35（0.12）0.9（0.08）0.8m，煤层硬度系数f=0.3～1。煤层产状为128°∠48°，倾角42°～48°。

煤层直接底为灰黑色泥岩夹粘土岩，含植物碎片化石及黄铁矿结核，遇水易泥化，厚约2m，硬度系数f=3～12;基本底为中砂岩、铝质泥岩、石灰岩，厚约212m，硬度系数f=4～6。

煤层直接顶为灰黑色泥岩，含生物化石碎屑及黄铁矿结核，厚约7m，硬度系数f=3～5;基本顶为石灰岩、粉砂岩、泥岩，厚约23m，硬度系数f=8～12。

1.2 原巷道断面及支护方式

由于煤层倾角大，巷道断面形状设计为异形，巷道掘进断面尺寸为：巷道下宽4400mm，高帮高2600mm，矮帮高1500mm，中高3900mm，原巷道高帮煤层采用架料支护，顶板及矮帮采用金属网+锚杆+锚索+钢筋梯联合支护。如图1所示。

原支护方式具体参数：顶板每排共布置5根φ20×2500mm树脂锚杆，其中上、下两端的锚杆与顶的夹角为65°，中间3根锚杆垂直顶板，锚杆间距为800mm，排距为800mm，每隔3.2m施工一根φ15.24×7300mm锚索，布置在顶板上端以下第二根锚杆处（替代第二根锚杆）;顶板下端第一根锚杆以下300mm为矮帮上端锚杆，矮帮锚杆共两根，规格为φ20×2000mm树脂锚杆，排距800mm，间距800mm～1000mm;高帮采用金属支架、金属网及笆片、排柴作为永久支护，金属支架间距为800mm（中对中），金属支架梁、腿选用11#矿用工字钢。

1.3 掘进方式

采用全断面远距离爆破一次成巷方式掘进，掘进机出矸，后续采用皮带运输进仓，机车加矿车运出地面。

2 存在的问题

（1）煤层顶板来压后固定架料顶梁的锚杆容易断裂，容易造成巷道垮冒。

（2）顶板及巷帮来压后，高帮架料“翘脚”及顶梁变形严重。

（3）爆破震动较大，而且不可控，容易破坏煤层完整性，加重煤壁片帮程度，既削弱了支护效果，又导致应力重新分布而发生诱导突出威胁，同时充填安全威胁大、施工困难，且充填物较大程度的影响了后期顺层钻孔封孔效果，导致其抽放质量差。

（4）煤层松软，高帮上部煤层在爆破后等待排放有毒有害气体时间为30min，造成高帮煤壁、顶板暴露时间长、面积大，容易在自重或瓦斯压力作用下发生漏冒现象。

（5）巷道受水力压力影响，巷道容易发生离层，底鼓等现象。

3 研究思路

一是掘进期间及时使用沙袋、注浆材料等充填架料后方空洞，确保架料背帮严实;二是优化炮眼布置，降低装药量，减少爆破煤层的破坏;三是施工走向锚梁主动加固煤层顶板同时减少顶板与煤层交界处的支护盲区;四是对巷道进行全断面喷浆封闭，防止顶、帮风化。

4 实施方案

4.1 优化炮眼布置及装药量

一是减少较硬煤层中的炮眼个数，适当增加底板岩层中的炮眼个数;二是煤层软煤层厚度大于1.4m时可取消原软分层煤层中布置的炮眼;三是炮眼尽量布置在岩层中，减少对高帮煤层的破坏;四是降低每个炮眼装药量，煤层中布置的炮眼每个炮眼装药量不大于200g，底板岩层中每个炮眼装药量不大于600g，可根据现场煤岩层硬度做调整。

4.2 优化支护参数

根据多年急倾斜煤层巷道施工经验和支护参数的考察，急倾斜煤层巷道永久支护采用锚杆、锚索、金属网、喷浆及金属整体支架联合支护是可靠、有效的，但针对实施过程中存在的问题需改进支护参数，具体方式如下：

顶板每排共布置4根φ20×2500mm树脂锚杆及一根φ15.24×3.5m锚索，顶板最上方固定架料顶梁的3.5m锚索与顶板面夹角成45°夹角向上施工，尽量减少顶板上方支护盲区，顶板最下方的锚杆与巷道矮帮夹角为30°，中间剩余3根锚杆垂直顶板施工，锚杆间距为800mm，排距为800mm，顶板中间每隔3.2m施工一根φ15.24×7300mm锚索，垂直布置在顶板上端以下第三根锚杆处（替代第三根锚杆），同时在距固定架料顶梁的锚索下方500mm处沿巷道走向施工一排锚梁（2m的W型钢带+2根φ15.24×7300mm锚索，锚索间距1.6m，与顶板面夹角为60°），锚梁施工距碛头的距离不超过3m，搭接处的锚索在下组锚梁施工时锁紧，顶板上还需铺设锚网及钢筋梯。

矮帮共布置两根锚杆，规格为φ20×2000mm全螺纹树脂锚杆，排距800mm，间距600mm，第一根锚杆布置在矮帮与顶板结合部下方600mm处，垂直与矮帮施工，第二根锚杆锚杆与水平面成20°向下施工。

高帮采用金属整体支架、金属网及笆片、排柴作为永久支护，金属支架间距为800mm（中对中），金属支架梁、腿选用11#矿用工字钢，架料与架料之间采用专用连杆连接，将架料连接成一个整体，每两架料采用1.1m長11号矿用工字钢配合两根φ20×2000mm全螺纹树脂锚杆对架料腿子进行加固，最后采用喷浆支护封闭断面，如图2所示。

4.3 空洞充填处理

煤巷在掘进期间高帮侧容易出现垮冒，形成空洞，如果形成的空洞不及时进行充填处理，一是掘进期间安全威胁大，容易造成顶板垮冒推垮架料，造成事故;二是后期如造成采煤工作面下出口顶板破碎持续加大，增大回采期间下出口管理难度，因此，在掘进期间做好该项工作十分重要。

掘进期间高帮垮冒形成的空洞大小不一，有的只有几个立方，有的空洞则是有几十个立方， 如果小空洞不及时处理，任其自然垮落，那么很大程度上会形成较大空洞，为后期回采带来处理难度。

掘进期间煤巷高帮形成空洞后，应立即采取有效措施进行处理，处理方式有两种，对于空洞深度小于500mm，宽度小于1m的空洞采用沙袋充填，对于空洞深度大于500mm，宽度大于1m的空洞采用喷浆充填的方式进行封堵。

5 实施效果

实施通过将固定架料顶梁的锚杆替换成锚索后，固定架料顶梁的锚索被剪切断的情况在施工期间还未出现，提前在顶板上施工走向锚梁不仅增大了支护强度，同时也减少了顶板上方的支护盲区;通过及时处理垮冒形成的空洞，防止了顶板在自重力作用下进一步垮冒，不仅能有效提高掘进期间的安全性，还能够提高回采期间下出口顶板稳定性。

6 结论

目前国内开采急倾斜煤层的矿井较少，而且开采急倾斜煤层都会选择结构比较单一的煤层进行开采，像我矿开采的这种急倾斜、三软（顶板软、煤层软、底板软）且有突出危险性的煤层十分罕见，在掘进期间极易发生片帮，从而造成大型冒顶事故，我矿通过对煤巷掘进防高帮片帮支护技术的研究，总结出采用整体金属架料配合锚索、走向锚梁联合支护技术对巷道顶板及煤层高帮进行支护后，效果显著。采用喷浆充填能够有效防止高帮煤层进一步扩大，提高煤层及顶板支护的可靠性，便于掘进和回采期间的顶板管理，满足安全使用。