復(fù)合頂板條件下煤巷綜掘技術(shù)

王敬衛(wèi),孫炳興

（1.淮南礦業(yè)集團(tuán)公司 張集煤礦，安徽 淮南 212300；2.煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶 400037）

復(fù)合頂板條件下煤巷綜掘技術(shù)

王敬衛(wèi)1,孫炳興2

（1.淮南礦業(yè)集團(tuán)公司 張集煤礦，安徽 淮南 212300；2.煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院，重慶 400037）

張集煤礦在煤巷上山綜掘施工中，為解決節(jié)理、裂隙發(fā)育的復(fù)合頂板掉頂難題而提出的系列技術(shù)實(shí)踐與創(chuàng)新，分析并驗(yàn)證了采用分部掘進(jìn)、分次成巷（即先割頂部架頂梁，后割底部載棚腿）的施工方法，成效顯著，可為此類(lèi)條件下煤巷綜掘提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

復(fù)合頂板；棚網(wǎng)支護(hù)；綜掘；分次成巷

1 煤礦概況

張集煤礦為高瓦斯突出礦井，1214（1）工作面為一傾斜長(zhǎng)臂工作面，標(biāo)高范圍－630 m～－430 m，工作面寬249.3 m，傾斜長(zhǎng)2 174 m～2 197 m，兩巷及工作面切眼沿11-2煤層頂板掘進(jìn)。11-2煤層以塊狀為主，局部片狀及粉末狀；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～2層夾矸（以泥巖為主），煤層厚度2.35 m～3.89 m，傾角2°～9°，平均5°。11-2煤層頂板是復(fù)合頂板，直接頂為泥巖，含11-3煤線（約0.5 m），局部含粉砂巖，有較多植物化石碎片，部分段裂隙、節(jié)理發(fā)育明顯，老頂為細(xì)中粒砂巖，煤層底板以泥巖為主。兩順槽支護(hù)設(shè)計(jì)為錨索網(wǎng)支護(hù)或“U”型棚網(wǎng)支護(hù)，以錨索網(wǎng)支護(hù)為主，當(dāng)頂板不穩(wěn)定時(shí)采用棚網(wǎng)支護(hù)。掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)頂板多處節(jié)理、裂隙發(fā)育，主要采用棚網(wǎng)支護(hù)，“U”型棚網(wǎng)支護(hù)斷面規(guī)格：凈寬·凈高＝5 000 mm·3 630 mm，凈斷面積為15.32 m2。采用S150J綜掘機(jī)掘進(jìn)一次成巷。

2 施工中遇到的問(wèn)題

1214（1）工作面是復(fù)合型頂板，特別是在節(jié)理、裂隙發(fā)育段，施工中直接頂經(jīng)常掉落；有時(shí)在綜掘機(jī)割完頂煤15 min～20 min后，剛暴露的頂板即有大塊矸石掉落，一般掉落高度為1m～1.5m。由于大面積掉頂，造成巷道頂部出現(xiàn)大面積空洞，不但危及井下工人安全，增加煤巷支護(hù)難度；而且空洞容易造成瓦斯積聚，加大礦井瓦斯災(zāi)害隱患。

為減少掉頂?shù)陌l(fā)生，在掘進(jìn)施工中盡量減小控頂距，采用棚距600 mm，最大控頂距900 mm“掘一架一”的施工方法。這樣，不但影響掘進(jìn)速度，而且效果不是很好，仍有隨掘隨掉現(xiàn)象。后又采取打撞楔的超前支護(hù)，雖可解決掉頂問(wèn)題，但是頻繁打撞楔的施工方法，不但增加支護(hù)成本，而且嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度。

3 施工問(wèn)題的分析

3.1 復(fù)合頂板掉落的力學(xué)分析

復(fù)合頂板的力學(xué)狀態(tài)極為復(fù)雜，分離巖塊的散體在三維空間有六個(gè)自由度，即在各個(gè)方向力和力矩作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)或保持平衡的六面體[1]。假設(shè)六面體下側(cè)有自由空間，則六面體就有沿傾斜向下的推力。當(dāng)六面體有向下推的趨勢(shì)時(shí)，巖層斷裂面將產(chǎn)生阻止六面體下推的摩擦阻力；上側(cè)斷裂面也會(huì)由于巖層似斷未斷，而有阻止六面體下推的向上拉力；支護(hù)的迎山角也會(huì)對(duì)六面體下推有個(gè)阻力。當(dāng)總阻力小于六面體向下的推力時(shí)，就會(huì)發(fā)生冒頂。對(duì)復(fù)合頂板的掘進(jìn)工作面，掘進(jìn)時(shí)破壞了順槽的復(fù)合頂板，可能給六面體開(kāi)創(chuàng)一個(gè)去路，既增加產(chǎn)生六面體的可能性，又減小已產(chǎn)生六面體下推時(shí)的阻力。當(dāng)六面體周?chē)霈F(xiàn)一個(gè)自由空間，使六面體有了去路，而且六面體向去路方向又有一定的傾角時(shí)，在自重作用下六面體就有向去路方向的推力，從而使復(fù)合頂板出現(xiàn)掉渣冒頂現(xiàn)象。

再者，受開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，巷道圍巖幫部產(chǎn)生的是拉應(yīng)力，為應(yīng)力降低區(qū)，說(shuō)明此范圍的巖層由于開(kāi)采擾動(dòng)的作用，已經(jīng)處于屈服破壞的狀態(tài),壓應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。在巷道頂板處部分巖層的主應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，頂板巖層中部呈現(xiàn)拉伸破壞趨勢(shì)，頂板兩角主要呈剪切破壞趨勢(shì)[2]。巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，除產(chǎn)生瞬時(shí)的彈塑性變形外，隨著時(shí)間的推移還會(huì)產(chǎn)生蠕變變形，也就是說(shuō)復(fù)合頂板的破壞程度與其空頂時(shí)間成正比。

3.2 1214（1）掘進(jìn)面復(fù)合頂板冒落分析

根據(jù)復(fù)合頂板的力學(xué)分析、平衡條件、影響因素可知，導(dǎo)致張集煤礦1214（1）工作面順槽掘進(jìn)面復(fù)合頂板經(jīng)常冒落的原因有：頂板節(jié)理、裂隙發(fā)育，加速綜掘機(jī)割煤后頂板膨脹、變形、斷裂、失穩(wěn)、最后掉落這一過(guò)程；1214（1）工作面的順槽凈寬5 m，凈高3.64m，順槽巷道沿煤層傾向方向向上掘進(jìn)，煤層傾角2°～9°，平均5°。掘進(jìn)斷面大、且有一定上山角度，使兩幫及迎頭煤體易片幫，容易導(dǎo)致復(fù)合頂板的失穩(wěn)，而破碎的頂板在自身重力的作用下極易出現(xiàn)掉頂現(xiàn)象；在一次成巷一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)施工中，最短空頂時(shí)間30min～40min，空頂時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于不穩(wěn)定的頂板，空頂時(shí)間越長(zhǎng)，頂板在支護(hù)前就越容易膨脹、變形、斷裂，最后掉落；綜掘機(jī)在掘進(jìn)割煤時(shí)，會(huì)給工作面附近的煤巖體以很強(qiáng)的擾動(dòng)應(yīng)力并產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，增加了工作面迎頭及附近兩幫煤體片幫程度，加速工作面后方空頂區(qū)巖層膨脹變形、斷裂，使直接頂與老頂?shù)碾x層加快；最終加快直接頂失穩(wěn)掉落。

4 解決問(wèn)題的方法

4.1 新的施工方法

通過(guò)以上分析看出，不進(jìn)行超前支護(hù)時(shí)，要解決施工中的掉頂問(wèn)題，必須在頂板掉落前做好支護(hù)，縮短頂板空頂時(shí)間。正常頂板情況下的施工工藝流程為：安全檢查→切割并清煤→移前探梁→架棚梁→背頂→載棚腿→背頂→載棚腿→上卡纜→背幫。

但是上述施工工藝流程在裂隙、節(jié)理發(fā)育的復(fù)合頂板條件下，卻經(jīng)常發(fā)生掉頂現(xiàn)象，因此需要改進(jìn)流程、縮短空頂時(shí)間。在頂板掉落前支護(hù)好頂板，而分部掘進(jìn)、分次支護(hù)的施工方法，即先割頂部架頂梁、而后割底部載棚腿，可實(shí)現(xiàn)提前支護(hù)，大大縮短復(fù)合頂板的空頂時(shí)間，該施工方法的工藝流程如下：安全檢查→切割上部并清煤→移前探梁→架棚梁→背頂→上棚梁卡纜→安全檢查→切割下部并清煤→載棚腿→上棚腿卡纜→背幫。

分部掘進(jìn)、分次成巷架頂梁前掘進(jìn)工作面示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 分次成巷掘進(jìn)工作面示意圖

4.2 分部掘進(jìn)分次支護(hù)效果分析

張集煤礦1214（1）工作面運(yùn)輸順槽采用分部掘進(jìn)、分次成巷的施工工藝，在節(jié)理裂隙廣泛發(fā)育的復(fù)合頂板條件下，順利掘進(jìn)煤巷1 000 m以上，雖與一次成巷掘進(jìn)程序有所增多，掘進(jìn)速度也稍有降低，但很好地解決了復(fù)合頂板隨掘隨掉問(wèn)題，對(duì)于安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要作用。

分部掘進(jìn)、分次成巷在此種復(fù)合頂板條件下煤巷掘進(jìn)取得成功，可從以下四個(gè)方面進(jìn)行分析：第一，采用綜掘機(jī)掘進(jìn)兩次成巷施工時(shí)，先割頂部煤后形成一個(gè)臺(tái)階（見(jiàn)圖1），并及時(shí)對(duì)上部剛揭露的頂板及兩側(cè)巷幫進(jìn)行支護(hù)，減小巷幫兩角剪切破壞趨勢(shì)，能有效減少割底煤時(shí)巷道兩幫及上部迎頭工作面煤體片幫的發(fā)生，防止了因片幫而影響頂板的穩(wěn)定性，從而減少掉頂?shù)陌l(fā)生。第二，采用兩次成巷施工時(shí)，能有效的減少空頂時(shí)間。根據(jù)1214（1）工作面運(yùn)輸順槽施工現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，綜掘機(jī)掘進(jìn)一次成巷作業(yè)時(shí)，割煤需要時(shí)間為25 min～30 min；而采用兩次成巷施工時(shí)，割頂部煤需要時(shí)間12 min～15 min，可以減少空頂時(shí)間10min～18min?？枕敃r(shí)間越短就越容易避免掉頂，因此兩次成巷可以減少掉頂?shù)陌l(fā)生。第三，綜掘機(jī)先割頂煤作業(yè)時(shí)間短，頂板巖層只發(fā)生彈塑性變形，還未處于屈服破壞狀態(tài)，相對(duì)于綜掘機(jī)一次成巷更容易避免由于割煤振動(dòng)引起的掉頂。第四，兩次成巷施工，可以減少傷人事故及事故隱患，并減弱事故破壞。割頂部煤后形成一個(gè)臺(tái)階，當(dāng)頂板大塊矸石掉落時(shí)先落到臺(tái)階上，從而避免傷人，即使出現(xiàn)事故，也由于臺(tái)階的緩沖可以減弱事故的破壞力度。再者，支護(hù)良好時(shí)，則無(wú)頂板空洞存在，可杜絕瓦斯積聚的空間，從而減少事故隱患。

5 結(jié)論

張集煤礦1214（1）運(yùn)輸順槽施工中，廣泛采用新的施工方法，在頂板管理方面取得了不錯(cuò)的效果。實(shí)踐證明，這一施工方法在裂隙、節(jié)理發(fā)育的復(fù)合頂板條件下，切實(shí)可行并卓有成效。在裂隙、節(jié)理發(fā)育的復(fù)合頂板條件下，采用綜掘機(jī)分部掘進(jìn)分次支護(hù)，即先割頂部煤架頂梁、而后割底部載棚腿的施工方法，能有效地減少掉頂?shù)陌l(fā)生，并可避免頻繁使用打撞楔的超前支護(hù)，能有效地加快掘進(jìn)進(jìn)度。但在遇到構(gòu)造引起的頂板破碎比較嚴(yán)重時(shí)，由于割煤后頂板就有可能掉落，須打撞楔或打超前錨桿進(jìn)行超前支護(hù)。

[1] 高樹(shù)山，康岱昌，等.復(fù)合頂板冒落原因和控制[J]:煤炭科技,2007，26（6）.

[2] 李日富，回采巷道圍巖三維受力特征及其維護(hù)的研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.

Abstract:The paper introduces a series of technological practices and innovations to solve the problem as the fall of complex roof in joint and fracture development during the rising fully-mechanical driving in Zhangji mine.The study analyzes the practice of stepped driving and staged tunneling (that is,first cutting top beams,then cutting booth legs).The result shows its distinct effect and its benefits for the similar situation.

Key words:complex roof;shed supporting;fully mechanized driving;staged tunneling

編輯：劉新光

Fully Mechanized Driving Technology in the Condition of Complex Roof

WANG Jing-wei1,SUN Bing-xing2
(1.Zhangji Mine,Huainan Mining Group,Huainan Anhui 212300,China;2.Chongqing Institute,Coal Science Research Institute,Chongqing 400037,China)

TD262.4+2

A

1672-5050（2010）09-0047-03

2010-06-29

王敬衛(wèi)（1978—），男，河南禹州人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤炭采掘技術(shù)研究及管理工作。