大采高工作面巷道冒顶原因分析及其支护对策.doc

大采高工作面巷道冒顶原因分析及其支护对策 李广义 晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿 摘 要： 调查成庄矿首个大采高 5310 工作面的地质条件、支护状况和顶板冒落情况, 采用先进的钻孔窥视设备对冒顶区域前后顶板进行了钻孔窥视, 分析了大采高工作面顺槽顶板冒落原因认为地质构造、大采高工作面回采强烈动压影响、围岩蠕变是导致顶板冒落的主要原因提出在掘进期间提高构造影响段支护强度、保证顶板支护强度前提下加强巷帮支护和实时监测顶板变形情况等技术措施预防冒顶发生;同时对成庄矿煤层变薄区、断层构造和陷落柱影响区巷道提出具体的支护建议关键词： 大采高工作面; 地质构造; 顶板冒顶; 支护对策; 控制措施; 作者简介：李广义 (1972-) , 男, 工程师, 毕业于河南理工大学测量专业, 主要从事地测、掘进、采煤等专业技术开发管理工作0 引言成庄煤矿在 30 a 的发展历程中, 顶板控制逐渐由被动支护转化为主动支护随着生产规模不断扩大、采掘设备的大型化, 回采工作面巷道断面也不断增大, 巷道断面跨度由原来的 3~4 m 增大为 5~8 m, 顶板控制的难度也在不断加大5310 工作面作为成庄煤矿首个大采高工作面, 投入生产以来留巷巷道共发生煤巷锚杆支护冒顶 2 次。

全面系统分析 2 次冒顶原因, 对留巷巷道锚杆支护设计进行优化, 可以很好地杜绝煤巷冒顶事故1 工作面地质基本情况成庄煤矿主采二叠系下统山西组 3 煤, 煤层平均厚 6 m, 一般含夹矸 1~3 层, 夹矸总厚度不大于 0.5 m5310 工作面埋深约 500 m, 布置在成庄煤矿五盘区, 工作面相邻两侧均为实体煤, 53104 巷、53102 巷和 53101 巷为留巷巷道;53015巷和 53013 巷紧邻工作面53015 巷与 53012 巷之间净煤柱宽度 35 m, 53102巷与 53104 巷之间净煤柱宽度 15 m;53103 巷与 53101 巷之间净煤柱宽度 35 m, 具体布置如图 1 所示图 1 5310 工作面巷道平面布置 下载原图3 煤层坚硬、性脆, 局部煤质疏松, 整体表现质软, 疏松煤层倾角 2°~8°, 平均 5°;煤层赋存稳定, 因工作面走向长, 局部薄煤区煤厚 3~4 m煤的密度1.42 t/m, 普氏系数 0.48~1.32, 较软煤层伪顶为炭质泥岩, 厚约 0.4 m, 薄层状, 局部含煤线, 平坦状断口;直接顶为页岩, 厚 0.85 m, 灰黑色, 致密性脆, 含云母节理;老顶为粉砂岩, 厚 7.07 m, 深灰色、较致密、含植物碎屑化石。

工作面主要受一宽缓背斜控制, 轴部距设计切眼以南 925 m 左右;工作面内有 7 个陷落柱, 其中 1 个陷落柱对 53014 巷和 53102 巷掘进影响较大;工作面内发育有 3 条正断层, 对巷道掘进影响均较小2 冒顶原因分析5310 工作面为成庄矿首个大采高工作面, 巷道主要采用锚杆支护技术, 基本解决了大断面巷道支护问题, 适应了高瓦斯矿井大采高综采技术要求, 减轻了工人的劳动强度, 降低了支护成本但是, 自回采以来成庄煤矿 5310 大采高工作面留巷巷道发生 2 起冒顶事故, 给大采高工作面的安全生产带来极大威胁现对 2 起冒顶事故进行分析2.1 53102 巷冒顶事故53102 巷为 5310 大采高工作面的回风兼运输巷, 巷宽 5.0 m, 巷高 3.5 m, 总长 2 848.75 m采用锚杆、锚索、网、W 钢带联合支护, 锚索呈 2-2 布置, 排距 1 m5310 面开始回采后, 53102 巷采用木垛以加强支护, 木垛间距 4~5 m, 39 横川于 2012-12-02 夜班进入切顶线, 截止 2012-12-09, 木垛维护到 37 横川口, 39 横川滞后切顶线 37 m。

2012-12-09 夜班接班后割煤 40 架顶板发生垮落冒顶区段垮落长度约 7 m, 垮落宽度 5 m (全断面) , 冒落高度 4.5 m, 冒落物以风化后的碎矸石为主, 冒落区内有 4 根锚索断裂、3 根锚索被拉脱、锚杆全部脱落冒顶区段为 53102 巷 39 横川正口, 如图 1 所示此区段未采用木垛加强支护2.2 53101 巷冒顶事故2014-03-11 成庄煤矿 5310 工作面 53101 巷距巷口约 2 360 m 处发生冒顶, 巷道冒顶长 10 m, 宽 5 m, 冒高最高 4.5 m, 顶板冒落后成拱形巷道顶板锚杆与围岩整体冒落, 锚索在自由段产生破断2014-03-19 采用钻孔窥视仪对冒落段进行勘察, 分别在冒顶段附近靠近切眼侧顶板、距冒顶 1.5 m 处顶板以及冒顶段靠近巷口侧顶板施工 3 个窥视钻孔进行钻孔窥视由窥视结果得知, 53101巷冒顶区域及其靠近切眼侧附近巷道顶板围岩 2 000 mm 范围内裂隙十分发育, 围岩产生扩容变形后十分破碎, 距巷道顶板围岩表面 5 200 mm 处巷道顶板围岩有 1 条开度很大的横向裂隙, 说明顶板在该处产生了较大离层。

冒顶区域靠近巷口侧顶板围岩 1 400 mm 范围内裂隙十分发育, 围岩十分破碎;1 400~6 200 mm 之间围岩完整性好2.3 留巷顺槽冒顶原因分析通过钻孔窥视结果结合地质条件分析巷道产生上述变形破坏的主要因素如下: (1) 地质条件53101 巷冒顶处于一宽缓向斜构造区内, 而且该处煤层为变薄带, 顶板围岩节理裂隙发育 (2) 采动影响5310 为大采高工作面, 采高大, 推进速度快, 矿压显现剧烈[1] (3) 支护强度低5310 为成庄煤矿首个大采高工作面, 53101 巷为 2009 年支护, 支护参数存在以下不足:锚杆螺母与球型垫圈之间未采用尼龙垫片, 导致巷道初始预紧力较低;采用的 W 钢带型号为BHW-250-3-4500-5, 钢带厚度为 3 mm, 宽度为 250 mm, W 钢带的强度和刚度偏弱;留巷巷道补强锚索的加固支护强度偏弱;巷帮支护强度低, 冒顶段巷道帮部未完全按照设计要求对其围岩采用锚索进行补强支护, 导致两帮围岩受动压影响后变形剧烈, 两帮浅部围岩破碎, 无法有效承载顶板, 增加了巷道顶板跨度, 不利于顶板稳定 (4) 技术管理巷道遇到地质条件变化时, 未考虑后期动压对巷道围岩变形的强烈影响, 未及时采取补充措施对巷道加强支护;而且现场滞后工作面架设的部分木垛不接顶, 导致木垛不能及时支撑顶板, 对下沉变形不敏感, 难以控制顶板初期下沉。

综上所述, 地质条件的变化、受回采动压影响和围岩蠕变导致浅部锚固范围内围岩发生较大的扩容变形, 围岩强度弱化和锚固结构的损伤导致浅部支护承载结构的承载力降低、破坏、失效浅部支护承载结构的承载能力失效, 围岩裂隙向深部扩展, 深部锚固锚索受到的载荷剧增;同时两帮收敛变形导致顶板错动, 锚索同时受剪应力作用, 受复合载荷超过锚索的极限破断载荷, 最终导致锚索破断, 巷道顶板冒落[2]3 预防巷道冒顶的几点建议和对策通过对成庄煤矿大采高留巷巷道锚杆支护冒顶的原因分析可知, 地质条件的变化、动压影响和围岩蠕变是巷道冒顶的主要原因因此, 必须从工程设计到施工质量控制, 从顶板监测到失修巷道维护, 多方面入手采取有效措施预防冒顶事故发生针对成庄煤矿的冒顶事故, 有以下几点建议和对策: (1) 动压影响区域的巷道支护动压影响对相邻巷道的破坏极大, 根据成庄矿 5310 工作面53102 巷动压影响区域的巷道破坏情况来看, 地处构造区域的巷道动压显现更加明显和剧烈, 巷道受破坏的程度更严重一般在向背斜、断层、陷落柱附近以及煤层倾角增大或煤层变薄的区域, 软弱煤岩体发育巷道掘到该区域, 煤层常常出现疏软、直接顶破碎或有 1 层软矸伪顶, 该区域巷道易出现冒顶。

在该区域掘巷时需采取以下措施:让煤顶、破碎直接顶自然跨落, 或掘进时将软矸伪顶直接割掉, 然后在顶板打锚杆、锚索控制顶板, 同时对顶板进行喷射混凝土封闭, 防止围岩风化, 加密锚杆、锚索, 顶板采用覬 6.5 mm 的钢筋网配合W 钢带护顶, 巷道爬坡沿煤层顶板掘进[3] (2) 加强两帮支护在生产实践中, 人们往往重视顶板支护, 忽略了两帮支护垂直应力作用在煤巷两帮, 两帮支护不及时或支护不好, 煤帮受垂直应力作用向巷中移动, 煤帮被压酥, 承载能力变弱, 两帮松动圈变大, 顶板组合梁的跨度也在增大, 巷道中部出现下沉断裂, 两帮上角也出现下沉断裂因此, 必须加强煤帮支护, 后期进行补强支护时, 保证顶板支护强度的同时必须加强对巷道帮部围岩支护 (3) 加强顶板监测对顶板实施有效监测也是预防冒顶的一个重要手段, 正常巷道进行日常监测, 特殊区域的巷道进行重点检测地质条件产生变化时, 对特殊区域巷道可安装矿压综合监测站, 并降低顶板离层仪的安装密度, 定期采用钻孔窥视仪器进行顶板窥视, 实时动态掌握顶板裂隙的发育情况, 及时分析数据, 提供真实信息, 及时修改支护设计, 使支护设计具有针对性。

4 特殊构造区域巷道支护技术地质条件异常区域的留巷巷道顶板是发生冒顶概率高的地段, 必须针对不同条件选择不同的支护形式1) 煤层变薄区在成庄煤矿五盘区北翼距巷口 2 000 m 以里至切眼工作面煤层出现变薄情况, 煤层变薄区域发育在向背斜构造以及煤层倾角增大的区域该区域巷道掘时, 煤体往往比较松软, 易出现冒顶根据现场的支护经验, 在煤层变薄区掘巷时需采取以下方法: (1) 让破碎的煤顶自然跨落, 然后再进行施工锚杆、锚索控制顶板, 同时对巷道喷射混凝土进行封闭; (2) 顶板采用钢筋网护顶, 降低锚索的支护密度2) 断层构造提前探明断距、落差和影响范围大的断层, 提前确定支护方案一般采用提高锚杆、锚索支护密度方法, 或采用全长预应力锚固的锚杆、锚索支护以及拱形架棚锚喷支护等对于不能提前探明的小断层, 由巷道掘进后揭露的情况, 经常到现场勘察, 确定施工方案3) 陷落柱陷落柱在成庄煤矿井田内也十分发育, 在巷道掘进需要通过陷落柱时, 须根据陷落柱的影响范围, 确定采用掘进绕开陷落柱或采用架棚 (必要时采用密集棚) 支护, 并喷射混凝土封闭如果顶板破碎出现大面积冒落, 需在掘进迎头采用超前预注浆的方法先加固顶板, 然后加强临时支护, 并采用短掘短支的方法掘进和及时喷射混凝土封闭的方法施工。

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