某礦2號煤層掘進巷道冒頂原因分析及處理方法

張 琪

(馬道頭煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037100)

寧武煤田北部區(qū)域水文地質(zhì)情況較復雜，主要含水層富水性為中等，主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖、煤層，受斷層影響，區(qū)域巖層裂隙發(fā)育和破碎帶發(fā)育，這些均為巷道的充水通道，掘進工作面會出現(xiàn)裂隙出水、淋水增大等情況。本文以寧武煤田北部一大型礦井為背景，其主采煤層為2號層，該礦2201膠帶巷在掘進過程中發(fā)生了冒頂，通過對冒頂原因進行分析，制定了處理方法[1-2]，并提出了預防性建議，為其他同類型礦井提供借鑒。

1 工程概況

該礦2號層2201膠帶巷設(shè)計全長1 495 m，煤層平均厚度為7 m，沿底板掘進，為寬5 600 mm×高3 850 mm的矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護形式，目前已施工1 020 m。巷道北鄰發(fā)育有大落差正斷層DF1(落差32 m)和DFF2(落差30～50 m)，且斷層發(fā)育位置距離2201巷最近為30 m左右，開掘前推斷巷道在掘進過程中可能會揭露相應(yīng)的次生構(gòu)造，在巷道掘進至里程900～1 019 m時，出現(xiàn)圍巖裂隙發(fā)育、煤巖層交錯雜亂情況，局部圍巖完整性差、破碎、片幫，并伴有不同程度的出水，其中在里程996 m時巷道揭露一條落差推斷為15 m的正斷層，此區(qū)域巷道頂板以上依次為厚度6.4 m的泥巖、5.8 m的中砂巖和27 m的泥巖。

2 原支護設(shè)計

巷道頂部錨桿規(guī)格為D22 mm×2 500 mm，每根錨桿采用2支k2360型樹脂錨固劑，間排距900 mm×900 mm，配套W型長鋼帶規(guī)格5 400 mm×250 mm×3 mm，托板規(guī)格為110 mm×110 mm×10 mm。幫部錨桿規(guī)格為D20 mm×2 200 mm，配套 W型短鋼帶規(guī)格450 mm×250 mm×3 mm。頂錨索采用D17.8 mm×6 300 mm的鋼絞線，間排距為2 100 mm×2 700 mm，每排打3根錨索，錨索托板規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，每根錨索采用3支k2360型樹脂錨固劑。掛菱形金屬網(wǎng)，材質(zhì)為8號鉛絲，網(wǎng)格規(guī)格50 mm×50 mm。當巷道掘至里程996 m處揭露一落差為15 m的正斷層，因此從斷層外15 m開始采取加強支護措施，原鋼帶錨桿更換為錨索支護，規(guī)格為D17.8 mm×6 300 mm，原錨索長度變更為8 300 mm，排距由2 700 mm變更為1 800 mm，增加三眼組合錨索補強支護，間排距為2 100 mm×1 800 mm，每排打2組，每組由1根D17.8 mm×8 300 mm的鋼絞線配合2根D17.8 mm×6 300 mm的鋼絞線組成。為防止泥巖對錨桿、錨索影響，增加工字鋼密集棚支護，鋼棚為礦用12號工字鋼，棚距400 mm，棚寬5 600 mm，棚腿采用錨桿固定，棚梁采用D17.8 mm×8 300 mm錨索搭配托板(110 mm×110 mm×10 mm)以及鋼板制成的壓板固定在頂板上，每架棚采用2組錨索壓板進行固定和6組拉桿(D20 mm鋼筋加工)連接，若有部分未接頂處采用方木或木板剎緊、背牢。

3 冒頂經(jīng)過和原因分析

1) 冒頂經(jīng)過。巷道掘進至里程1 020 m處，發(fā)現(xiàn)工作面頂板有下沉、悶響等來壓跡象，隨即組織撤人，2 h后發(fā)生冒頂，垮落里程為1 008～1014 m(此區(qū)域未及時架棚)，影響范圍約6 m，另有迎頭6 m未垮落，垮落高度6～8 m，掘進機被垮落頂板壓覆。

2) 冒頂原因分析。巷道處于落差H=15 m斷層影響范圍內(nèi)，圍巖破碎，不易支護，恰逢煤層頂部K3砂巖裂隙含水層經(jīng)裂隙逐步向頂板滲透，導致頂板上覆5 m左右的砂質(zhì)泥巖軟化膨脹，致使支護失效，從而誘發(fā)冒頂，見圖1。

圖1 巷道掘進及冒頂示意

4 冒頂處理技術(shù)方案

4.1 對冒頂區(qū)域外進行架棚支護

按照由外向里的施工原則對冒頂區(qū)外975～1 008 m共33 m架設(shè)U29鋼棚進行補強支護，鋼棚采用三段組合式加工，棚中心間距為400 mm，架設(shè)鋼棚時，不得歪斜，保證迎山角，杜絕淋肩、吊斜，每根棚腿采用2根錨桿配合鋼板卡纜將其與巷道固定；當錨桿不起作用時改為4.3 m錨索進行固定；采用水泥背板與頂幫背實，孔隙處使用木料進行充填，保證接幫、頂嚴實，水泥背板規(guī)格為長×寬×厚=400 mm×150 mm×50 mm；鋼棚搭接長度為400 mm，搭接處使用2副卡纜搭接固定，卡纜螺栓預緊扭矩不得低于300 N·m；鋼棚間使用拉桿相連，拉桿采用D20 mm圓鋼制作，拉桿長度220 mm；棚腿底腳板采用200 mm×200 mm×10 mm的鋼板制作；鋼棚與背板之間鋪設(shè)一層D6.5 mm、網(wǎng)孔100 mm×100 mm鋼筋網(wǎng)。架棚后噴射混凝土，厚度為150 mm。棚腿必須挖到實底，若挖不到實底，需在棚腿處澆筑混凝土。工字鋼棚區(qū)段架設(shè)U29鋼棚時，需架設(shè)于工鋼棚中間，不能使用拉桿固定U29鋼棚時，采用錨桿或4.3 m短錨索配合壓板進行固定，每側(cè)在距離巷道底板1 900 mm與500 mm處各施工1組。在加強支護區(qū)域范圍內(nèi)再補增一組頂板離層儀，每天進行觀測并做好記錄，來分析頂板離層情況。

4.2 對冒頂區(qū)域進行清掏支護

從距離垮落處1.5 m開始用1.5 m長道木打2個“井”型木垛，木垛分別距離幫部500 mm，最靠近垮落區(qū)的兩架鋼棚必須打戧杠，戧杠采用D200 mm的圓木進行支設(shè)，以防頂板繼續(xù)垮落摧垮鋼棚。在補強支護全部完成以后開始清理矸石，觀察漏頂區(qū)巖性和高度，先初步清掏冒頂區(qū)域外部，從上部開始清掏，并對垮落區(qū)域頂板進行支護，支護完成后再清理下部。垮落區(qū)域下部架棚通過，棚間距700 mm，棚上部使用道木接頂，通過垮落區(qū)域后再施工鎖口錨索支護，對垮落后的頂板進行注漿填充。

4.3 U29型鋼棚架設(shè)工序和操作步驟

鋼棚架設(shè)施工工序為：安全檢查—吊掛中、腰線—挖棚腿基礎(chǔ)—立棚腿—起吊并上棚拱—量尺寸調(diào)整棚拱、上棚拱撐桿—上卡攬固定—上金屬網(wǎng)，緊貼鋼棚外側(cè)8號鐵絲綁扎固定—上背板，接頂、幫處填充木料(先幫后拱、由下至上)—噴射混凝土—下一循環(huán)。操作步驟為：固定調(diào)整前探梁坡度；挖夠棚腿尺寸，必須同時協(xié)作將棚腿立起來；起吊棚梁，頂梁放在前探梁上后，根據(jù)中腰線和坡度尺調(diào)整頂梁，用木楔調(diào)整鋼梁兩端高度，保證迎山角，杜絕淋肩、吊斜，跨步等現(xiàn)象的出現(xiàn)；調(diào)整頂梁完畢后，用8號鐵絲將鋼梁與前探梁綁牢固定，并用8號鐵絲與頂板永久支護連接；施工人員站在平臺上，把控頂梁與棚腿的連接，扳手上緊卡纜螺母后，風炮二次緊固，必須保證螺母的扭矩力；依次將兩側(cè)棚腿全部與頂梁固定連接后，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)由下向上充填木料，然后及時噴漿。

5 現(xiàn)場效果

2201膠帶巷僅僅用了15 d就完成了對冒頂區(qū)域影響范圍內(nèi)的補強支護，按照由外向里的補強支護和清理順序，保證了施工過程的安全。通過對頂板離層儀20 d的采集數(shù)據(jù)分析，認為補強支護后的頂板牢固，可恢復正常的掘進工作。

6 結(jié) 語

1) 寧武煤田2號層煤層頂板以砂巖和泥巖為主，砂巖含水，泥巖遇水軟化膨脹，因此在巷道過斷層過程中，一定要預先疏放頂板砂巖水，避免砂巖含水進入泥巖中。

2) 巷道揭露斷層前后應(yīng)加強支護，特別是遇到泥巖等不穩(wěn)定巖層時，一定要采取主動支護和被動支護相互結(jié)合的方式進行加固，架工字鋼棚和U29棚是一種有效的被動支護形式。

3) 對于泥巖等不穩(wěn)定巖層的被動支護要及時跟進，不可滯后迎頭太遠，否則會影響支護效果。

4) 處理巷道冒頂必須要遵循由外向里逐段清理支護原則，同時為了防止次生冒頂發(fā)生，在處理冒頂前必須要先加固冒頂區(qū)域附近的頂板。