巷道頂板事故預防及斷面優化探討

孫景權

（雙鴨山市方圓建筑安裝有限公司，黑龍江 雙鴨山 155100）

1 概述

頂板事故是煤礦生產的主要災害之一，是指在地下采煤過程中，頂板意外冒落造成作業人員傷亡、設備損壞、生產終止的事故。煤礦頂板事故主要受頂板巖性、巷道斷面形狀和參數確定、支護形式等因素控制。在實際煤礦巷道斷面設計、施工過程中，支護方式的選擇及巷道斷面形狀的選擇是重點考慮的問題，而對支護參數的確定考慮不足；然而，支護參數對巷道圍巖穩定性有較大的影響，同一地質條件下，同一巷道斷面形狀，支護參數對礦山壓力顯現影響較大，從而又決定了巷道支護方式。本文從巷道斷面形狀、斷面參數優化的角度研究適合特殊地質條件下斷面形式、斷面設計參數與支護方式，從而達到預防煤礦掘進巷道頂板事故的目的。

2 掘進巷道頂板事故

東榮三礦井田范圍地質構造復雜，褶曲構造發育，薄煤層和復合軟頂煤層多，占礦井總量的60%，九十年代進入三水平以來，隨著開采深度的增大，煤層的賦存條件變得及其復雜；不僅煤層的傾角大，而且大塊的優質煤田內褶曲、斷層縱橫交錯，頂板破碎，礦壓增大。

2009年11月，東榮三礦掘進施工中五采右四付巷，在施工至10#前20m時，頂板大面積來壓，造成頂板20多米的冒頂事故，冒頂區域無作業人員，未造成人員傷害，否則后果不堪設想。

2.1 事故原因分析

巷道斷面錨桿規格只有L=1.8m，L=1.6m的限制，間排拒1.0m×0.8m，依據支護經驗和對照理論性柱狀圖的設計支護形式，巷道斷面布置，見圖1，圖 2。

當施工至C#點時，巷道剛過斷層，并且巖石泥化淋水加大，雖然當時已對其所重視，但只對錨桿間距的加密，間距縮小一半，而當時巖石的產狀，厚度已經有所變化，穩定的巖層已變成不穩定巖層，錨桿固定的巖層已經不穩定，錨桿所具有主動加固巖層之間的力，由于力的相互作用反而加大了不穩定巖層的離層力，加上頂板大面積來壓，而造成大面積冒頂。

2.2 事故教訓

在巷道掘進過程中，理論性的柱狀圖僅供參考，在井下實際施工中，每隔50m或者100m或者過破碎帶、斷層時應針對這一段單獨分析，分析其圍巖穩定性，利用打錨索來判斷巖層的產狀、實際厚度來指定相應的巷道斷面支護規格，優化巷道斷面布置參數，預防巷道掘進中的頂板下沉量和頂板的冒頂。

3 影響掘進巷道穩定的因素

一般情況下，根據煤體強度及層(節)理發育程度、支護方式綜合確定合理的煤巷斷面形狀，然而，在地應力特點突出的條件下，出現斷層，巷道圍巖破碎，頂板離層松動，采用合理的巷道斷面形狀及正確的支護參數,可以極大改善巷道圍巖受力和變形狀態。為保持頂板的穩定性，鑒于煤層的層狀沉積特征，大多數煤巷在不破頂的前提下采用平頂矩形巷道斷面，然而，在特殊的地應力環境下，圍巖的應力和變形狀態取決于地應力主要方向和巷道斷面參數，只有兩者耦合匹配,才能取得系統穩定性的最佳效果。

4 巷道斷面優化

在巷道斷面設計時，應考慮井巷的斷面形式與支護參數，應根據井巷工程的地質條件、水文條件、圍巖性質及井巷的用途，在特殊的地質條件下應根據其礦山壓力顯現規律、圍巖穩定性，確定適合特定地質條件的、經濟的巷道斷面形狀及支護參數。

方案一、方案二如圖3、圖4所示。

以東山煤礦皮帶道施工為例分析其巷道斷面布置參數。

在拱形支護中，常見的支護形式是錨桿和錨索的聯合支護，形成組合拱。其主要作用是：

為加固拱作用：提高巖體的抗剪強度，阻止上部圍巖的松動和變形拱的加固。

懸吊作用：將要冒落的危巖和軟弱巖層用組合拱的作用力來承擔巖石的重量。

防止冒頂主要結構：

1）巖石的傾向與巷道走向的夾角較小，L=1.8m.的錨桿可以打到穩定巖層中。

如果頂板不破碎時，可以設計成方案一，將錨桿的錨入方向與巷道拱形邊緣垂直。然而頂板破碎時方案一錨桿錨入方案就顯得不合理，應采用方案二布置參數，由于巖層傾角小，頂板破碎時，在相同作用力下，方案一錨桿對巖體起到的懸吊作用就小于方案二錨入方式。所以，錨桿的錨入方向應該根據巖層的傾向變化而改變。

2）巖層傾向與巷道走向夾角非常大時，以至于一側的錨桿錨入不了穩定巖層的。組合拱已經失去了原有的平衡，不能起到加固拱和懸吊的作用，由于一邊起加固不穩定巖層的作用，而另一邊起到加速巖層分離的作用，從而失去了錨桿的意義，所以在設計錨桿支護形式的同時，不應該只注意柱狀圖中巖層的厚度，還應該考慮到巖層的傾角。假如遇到圖中所顯示情況，應該在同一條巷道中的兩側，選擇長度不同的錨桿或者用短錨索代替，以達到實際應用中的效果。

結論

預防巷道冒頂的重要方法是地質預報和實際巖層情況的緊密的合理應用加上合理的巷道支護才能達到較好的效果。特別煤巖比較松軟，在施工中遇到地質破碎、斷層，就更有可能造成大面積垮落，通過對地質預報分析其圍巖穩定性判斷，利用打錨索來判斷巖層的產狀、實際厚度來確定相應的巷道斷面形式及合適的頂板支護，優化巷道斷面布置參數，對煤礦安全生產，預防巷道掘進中頂板的冒頂事故具有重要應用價值。

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