近距离煤层掘进面冒顶防治技术探讨

2021-01-28贾华华何广宏

江西煤炭科技 2021年1期

贾华华，何广宏

（1.山西晋煤集团洪洞晋圣荣康煤业有限公司，山西洪洞041600；2.山西汾西同达工程设计有限责任公司，山西介休032000）

近距离煤层下层煤掘进工作面受上煤层的采动应力及复杂地质构造等诸多因素的影响，造成下层掘进工作面的复合顶板支护难度大、冒落控制差，对行人、运输、通风等构成很大的威胁。有关数据表明，我国煤矿近距离煤层巷道的返修率高达90%以上。近距离煤层群赋存在山西的大同、西山、霍州、汾西等煤田，采用联合开采受到瓦斯等条件限制；上下一次同时开采，矸石含量大，不经济；采用放顶煤开采，冒放性差，回采率底。现汾西正升煤矿采用分层开采、分层布巷，近距离煤层下层煤掘进工作面冒落问题一直困扰着现场施工人员。近年来，我国学者针对近距离煤层掘进工作面冒顶事故的产生机理通过实验室建模分析和现场实测等手段，对近距离煤层下层煤巷道的围岩变形破坏机理、围岩与支护的相互作用关系以及巷道的支护特点与支护原则进行了分析，确定了近距离煤层掘进工作面合理的支护方案与支护参数，改进掘进工艺和光面爆破[1]。但对于近距离煤层掘进工作面冒顶的预防分析及处理技术还有待进一步总结。本文根据某煤业公司煤层顶板较软、水文地质条件复杂及近距离煤层下煤层顶板破碎等因素，针对回采巷道掘进支护过程中巷道支护困难、易发生冒顶的实际情况，分析近距离煤层复合顶板巷道冒顶的机理，研究近距离煤层巷道的冒顶预防分析，总结出合理的处理技术，并通过现场实测验证理论分析的可靠性，为解决严重冒顶安全隐患，实践探索出一套冒顶预防及处理技术。

1 概述

某煤业公司为兼并整合矿井，设计生产能力规模为0.90 Mt/a。赋存9、10 号煤层，属于近距离煤层群。9 号煤层位于太原组下段上部，煤层厚度0.82～1.30 m，平均1.03 m，不含夹矸，夹矸结构简单，厚度变化不大；顶板以石灰岩、泥岩主，底板以泥岩为主。10 号煤层位于太原组下段上部，上距9 号煤层间距为2.03～6.97，平均4.89 m，煤层厚度1.65～2.80 m，平均2.19 m，含0-1 层夹矸，夹矸结构简单—较简单,厚度变化不大，顶板以泥岩为主，底板以粉砂岩为主。采区巷道和回采巷道都采用煤巷布置。由于井田中部赋存一条下团柏正断层（断距230 m），导致井田范围内次生小断层、陷落柱、褶曲等地质构造比较发育，巷道掘进期间遇到地质构造比较破碎的地区，9、10 号煤层间距太近，9号煤已开采，10 号煤层巷道复合顶板的支护效果差，冒顶严重。

2 掘进工作面冒顶的预防

2.1 优化巷道掘进参数

（1）优化巷道布置设计

根据采区范围内的地质报告、勘探成果和采掘工程平面图，充分考虑各种地质构造、水文地质划分和采动及应力变化，确定采区总体布置设计和工作面规划设计，采区采煤方式和巷道布置方向尽可能与断层方向垂直，回采巷道尽可能与断层方向平行错位布置[2]。巷道布置在稳定的岩层中，有效避免构造应力对巷道掘进和巷道后期维护的影响。

（2）优化支护参数

根据围岩应力和地质技术条件，9、10 号煤底板等距线图并试验研究观测，上层9 号煤层开采后，10 号煤的软弱复合顶出现许节理多及采动裂隙，围岩应力变化，使得顶板强度变低、破碎，使10 号煤掘进巷的顶板发生离层[3]。因此，需根据具体情况合理地选择支护方式、参数。

a、锚网支护

巷道支护一般以主动受力的锚杆为主。煤层间距5 m 以上的巷道顶板，同时巷道顶板较破碎但能自稳，尽可能优化锚网支护参数。根据锚杆悬吊理论计算法、组合梁理论计算法、三铰拱内力计算法、经验公式计算法等确定选用长度2 200 mm 的高强锚杆，分组对不同的锚杆参数和密度进行锚杆支护模拟实验，确定锚杆间排距700 mm×700 mm；高预应力锚杆配合强力W 宽钢带使顶板浅部煤岩层保持完整性；利用短锚索施加高预紧力，顶板5.0 m 短锚索，间距1 600 mm。形成更大的组合梁，提高顶板悬吊能力。

b、架棚支护

若根据现场情况开挖后就冒落，研判无法采用锚网支护，及时改采用架棚支护或采取锚网+钢棚联合支护。

①改变施工方法。巷道掘进采用隧道的预留核心土法施工工艺，先从巷道左右上顶开挖，及时支护；再开挖左右腰线附近的岩石，及时支护形成有效支护，最后开挖核心土；②适当的缩小棚距：根据顶板破碎情况，经工作阻力和岩石容重计算，并经模拟验证，调整棚距降低到0.6 m 左右；③超前预加固、预支护：棚梁上打超前撞楔，进行超前预支护；或采用管缝注浆锚杆,提前加固围岩。图1为煤间距3～5 m巷道支护采用“锚网+架棚”联合支护，利用主动支护和被动支护相结合的形式，有效的控制巷道冒落、变形，增加巷道完整性。

图1 煤间距3～5 m 采用“锚网+架棚”联合支护

2.2 地质构造预防措施

根据井田的地质情况，及时选用物探技术，调查断层、陷落柱等构造；根据近距离煤层等厚线，确定巷道层位和支护参数；根据揭露断层产状，制定掘进方案。

3 掘进工作面冒顶的处理措施

3.1 架棚巷道冒顶的处理措施

（1）上覆的煤顶板较完整、煤壁不易片帮时，巷道掘进范围外的少量矸石或煤冒落，处理冒落顶板采用安设木垛的方法：可暂不运出净煤矸，人员站在靠支护完整段，用长杆清顶，及时迎坡架设支架，支架上搭设木垛并接顶，同时两帮背板背实，支架联锁,以增强支护的整体性，见图2。

图2 木垛法处理冒顶断面

（2）顶板破碎、冒顶高，采用预先或者及时控制上层顶板冒落措施，控制上部顶板的两种方法[4]：①撞楔法。在靠近冒落区架设支架，用大锤隔200 mm间距从已支护段支架顶梁上向新架设的支架顶梁上打入一排撞楔，在超前预支护的顶板下，及时出矸，再架设下一架支架，注意迎头两帮和立柱窝重点部位加固，循环往复，直至穿越破碎带。②提前预注浆加固法。水泥浆液通过加压泵向掘进前方预先钻孔预先注浆，使松散煤岩固结成整体，待形成强度后，再进行正常掘进支护顶板，形成人工假顶。

3.2 锚网巷道冒顶的处理措施

巷道顶板冒落1.5 m 以内且该处有稳定冒落层位后，以上顶板较完整时，可考虑继续采用原支护加密，补打锚索。施工前，先依次打点柱等临时性的支护掩护支护人员，向冒顶顶部喷射30～50 mm厚的混凝土密封巷道顶板后，再密封上下两帮。初次预喷的钢筋混凝土全部凝固后，然后依次施工锚杆和锚索，再挂网复喷，其厚度一般不低于150 mm。如果发现冒顶掉落高度大或者无法继续采用锚网支护时，要及时改用架棚支护。