某矿2号煤层掘进巷道冒顶原因分析及处理方法

2021-06-15张琪

煤 2021年6期

张琪

(马道头煤业有限责任公司，山西大同 037100)

宁武煤田北部区域水文地质情况较复杂，主要含水层富水性为中等，主要岩性为泥岩、砂质泥岩、细砂岩、煤层，受断层影响，区域岩层裂隙发育和破碎带发育，这些均为巷道的充水通道，掘进工作面会出现裂隙出水、淋水增大等情况。本文以宁武煤田北部一大型矿井为背景，其主采煤层为2号层，该矿2201胶带巷在掘进过程中发生了冒顶，通过对冒顶原因进行分析，制定了处理方法[1-2]，并提出了预防性建议，为其他同类型矿井提供借鉴。

1 工程概况

该矿2号层2201胶带巷设计全长1 495 m，煤层平均厚度为7 m，沿底板掘进，为宽5 600 mm×高3 850 mm的矩形断面，采用锚网索支护形式，目前已施工1 020 m。巷道北邻发育有大落差正断层DF1(落差32 m)和DFF2(落差30～50 m)，且断层发育位置距离2201巷最近为30 m左右，开掘前推断巷道在掘进过程中可能会揭露相应的次生构造，在巷道掘进至里程900～1 019 m时，出现围岩裂隙发育、煤岩层交错杂乱情况，局部围岩完整性差、破碎、片帮，并伴有不同程度的出水，其中在里程996 m时巷道揭露一条落差推断为15 m的正断层，此区域巷道顶板以上依次为厚度6.4 m的泥岩、5.8 m的中砂岩和27 m的泥岩。

2 原支护设计

巷道顶部锚杆规格为D22 mm×2 500 mm，每根锚杆采用2支k2360型树脂锚固剂，间排距900 mm×900 mm，配套W型长钢带规格5 400 mm×250 mm×3 mm，托板规格为110 mm×110 mm×10 mm。帮部锚杆规格为D20 mm×2 200 mm，配套 W型短钢带规格450 mm×250 mm×3 mm。顶锚索采用D17.8 mm×6 300 mm的钢绞线，间排距为2 100 mm×2 700 mm，每排打3根锚索，锚索托板规格为300 mm×300 mm×16 mm，每根锚索采用3支k2360型树脂锚固剂。挂菱形金属网，材质为8号铅丝，网格规格50 mm×50 mm。当巷道掘至里程996 m处揭露一落差为15 m的正断层，因此从断层外15 m开始采取加强支护措施，原钢带锚杆更换为锚索支护，规格为D17.8 mm×6 300 mm，原锚索长度变更为8 300 mm，排距由2 700 mm变更为1 800 mm，增加三眼组合锚索补强支护，间排距为2 100 mm×1 800 mm，每排打2组，每组由1根D17.8 mm×8 300 mm的钢绞线配合2根D17.8 mm×6 300 mm的钢绞线组成。为防止泥岩对锚杆、锚索影响，增加工字钢密集棚支护，钢棚为矿用12号工字钢，棚距400 mm，棚宽5 600 mm，棚腿采用锚杆固定，棚梁采用D17.8 mm×8 300 mm锚索搭配托板(110 mm×110 mm×10 mm)以及钢板制成的压板固定在顶板上，每架棚采用2组锚索压板进行固定和6组拉杆(D20 mm钢筋加工)连接，若有部分未接顶处采用方木或木板刹紧、背牢。

3 冒顶经过和原因分析

1) 冒顶经过。巷道掘进至里程1 020 m处，发现工作面顶板有下沉、闷响等来压迹象，随即组织撤人，2 h后发生冒顶，垮落里程为1 008～1014 m(此区域未及时架棚)，影响范围约6 m，另有迎头6 m未垮落，垮落高度6～8 m，掘进机被垮落顶板压覆。

2) 冒顶原因分析。巷道处于落差H=15 m断层影响范围内，围岩破碎，不易支护，恰逢煤层顶部K3砂岩裂隙含水层经裂隙逐步向顶板渗透，导致顶板上覆5 m左右的砂质泥岩软化膨胀，致使支护失效，从而诱发冒顶，见图1。

图1 巷道掘进及冒顶示意

4 冒顶处理技术方案

4.1 对冒顶区域外进行架棚支护

按照由外向里的施工原则对冒顶区外975～1 008 m共33 m架设U29钢棚进行补强支护，钢棚采用三段组合式加工，棚中心间距为400 mm，架设钢棚时，不得歪斜，保证迎山角，杜绝淋肩、吊斜，每根棚腿采用2根锚杆配合钢板卡缆将其与巷道固定；当锚杆不起作用时改为4.3 m锚索进行固定；采用水泥背板与顶帮背实，孔隙处使用木料进行充填，保证接帮、顶严实，水泥背板规格为长×宽×厚=400 mm×150 mm×50 mm；钢棚搭接长度为400 mm，搭接处使用2副卡缆搭接固定，卡缆螺栓预紧扭矩不得低于300 N·m；钢棚间使用拉杆相连，拉杆采用D20 mm圆钢制作，拉杆长度220 mm；棚腿底脚板采用200 mm×200 mm×10 mm的钢板制作；钢棚与背板之间铺设一层D6.5 mm、网孔100 mm×100 mm钢筋网。架棚后喷射混凝土，厚度为150 mm。棚腿必须挖到实底，若挖不到实底，需在棚腿处浇筑混凝土。工字钢棚区段架设U29钢棚时，需架设于工钢棚中间，不能使用拉杆固定U29钢棚时，采用锚杆或4.3 m短锚索配合压板进行固定，每侧在距离巷道底板1 900 mm与500 mm处各施工1组。在加强支护区域范围内再补增一组顶板离层仪，每天进行观测并做好记录，来分析顶板离层情况。

4.2 对冒顶区域进行清掏支护

从距离垮落处1.5 m开始用1.5 m长道木打2个“井”型木垛，木垛分别距离帮部500 mm，最靠近垮落区的两架钢棚必须打戗杠，戗杠采用D200 mm的圆木进行支设，以防顶板继续垮落摧垮钢棚。在补强支护全部完成以后开始清理矸石，观察漏顶区岩性和高度，先初步清掏冒顶区域外部，从上部开始清掏，并对垮落区域顶板进行支护，支护完成后再清理下部。垮落区域下部架棚通过，棚间距700 mm，棚上部使用道木接顶，通过垮落区域后再施工锁口锚索支护，对垮落后的顶板进行注浆填充。

4.3 U29型钢棚架设工序和操作步骤

钢棚架设施工工序为：安全检查—吊挂中、腰线—挖棚腿基础—立棚腿—起吊并上棚拱—量尺寸调整棚拱、上棚拱撑杆—上卡揽固定—上金属网，紧贴钢棚外侧8号铁丝绑扎固定—上背板，接顶、帮处填充木料(先帮后拱、由下至上)—喷射混凝土—下一循环。操作步骤为：固定调整前探梁坡度；挖够棚腿尺寸，必须同时协作将棚腿立起来；起吊棚梁，顶梁放在前探梁上后，根据中腰线和坡度尺调整顶梁，用木楔调整钢梁两端高度，保证迎山角，杜绝淋肩、吊斜，跨步等现象的出现；调整顶梁完毕后，用8号铁丝将钢梁与前探梁绑牢固定，并用8号铁丝与顶板永久支护连接；施工人员站在平台上，把控顶梁与棚腿的连接，扳手上紧卡缆螺母后，风炮二次紧固，必须保证螺母的扭矩力；依次将两侧棚腿全部与顶梁固定连接后，铺设钢筋网由下向上充填木料，然后及时喷浆。