巷道冒頂事故原因分析及煤巷錨網支護工藝實踐

高維國GAO Wei-guo

（甘肅靖遠煤電股份有限公司寶積山煤礦，白銀730913）

0 引言

甘肅靖遠煤電寶積山煤礦自2000年成功推廣使用錨桿支護技術后，煤巷支護由框式支架變為錨桿支護，錨網支護率達90%以上，煤巷錨桿支護技術應用取得了較大進展。并于2009年推廣應用了樹脂錨固劑和螺紋鋼錨桿，錨桿支護可靠性又得到進一步提高。但是，隨著礦井開采水平的延伸，礦山壓力的增大，地質條件的變化，錨桿折損，巷道變形嚴重。原有的錨桿支護技術（包括巷道斷面選型、施工設備、支護材料、礦壓觀測、施工質量驗收管理、地質預測預報等）不能適應安全支護的需要，尤其進入704運輸順槽掘進后，隨著采深的加大，礦壓顯現進一步加劇，原有的支護技術和管理已無法保證掘進工作的安全，最終導致了后巷冒頂事故（死亡1人）的發生，給礦井安全生產造成了較大的負面影響。

1 巷道冒頂事故原因分析

1.1 地質概況及工作面巷道布置

1.1.1 地質概況：704工作面煤層為單一構造，節理層理發育，煤層平均厚度12m，平均傾角41°，運輸順槽局部區域達65°，容量為1.35t/m3，硬度系數f=1-1.8。工作面相對瓦斯涌出量為17.5m3/t，屬急傾斜高瓦斯特厚煤層。煤層硬度系數f=1-1.8。

1.1.2 煤層頂底板：偽頂為0-5.67m的炭質鋁質泥巖，松軟易碎易冒落；直接頂為4-19.0m的砂質泥巖，致密易冒落；煤層直接底為0-1.7m的炭質泥巖。

1.1.3 地質構造：該工作面煤層為一南西傾斜的單斜構造，無陷落柱、巖漿巖侵入體的影響。

該工作面內有一Fa正斷層，斷層產狀為：95°∠45°，落差為6m，對工作面的掘進有較大的影響，在掘進接近斷層和過斷層期間要專門制定措施并加強掘進工作面的支護。

1.1.4 工作面布置及回采工藝：工作面按大傾角走向長壁布置，綜采放頂煤回采工藝，運輸順槽距煤層底板3-5m布置（局部破頂），回風順槽沿煤層底板布置。根據煤層揭露所見，煤層屬高應力、層理及節理裂隙發育，“煤爆”現象比較嚴重。

1.2 巷道支護方式、支護參數及施工工藝 巷道斷面為微拱矩形，掘寬4800mm，掘高3450mm，拱高150mm。巷頂采用錨索支護，基本支護為φ15.24*3500mm的錨索，間排距為700*800mm，每隔3排即2.4m再打2根φ17.8*5000mm的錨索（錨索配件沒考慮讓壓防彎性能且緊跟迎頭施工）。兩幫采用φ20*2600mm的非等強型螺紋鋼錨桿，間排距為700*800mm。施工工藝采用綜掘機掘進；頂板采用錨桿機打眼，手壓泵配千斤頂預緊錨索；煤幫采用煤電鉆打眼并安裝錨桿，人工扳手預緊螺母。

1.3 巷道變形及冒頂情況簡述 采用該支護方式施工的704運輸順槽，頂部錨索大部分被拉斷，巷道收斂變形較大，主要表現為巷頂由微拱形變為反拱形。

巷道第一次冒頂發生在2010年1月26日夜班，當巷道施工至353m處時，在距掘進頭55m處發生冒頂事故，冒頂區為長8m，高5m，寬5m左右（見圖1冒頂斷面示意圖）；在停掘維修期間距掘進頭10m處又發生冒頂事故，導致一人被壓埋死亡。從現場情況看，底板側頂部的兩根錨索完好，其余頂部錨索拉斷。

1.4 冒頂事故分析 通過現場實際勘察和分析，認為該起事故的發生主要與以下因素有關：

①支護方式及斷面選型不合理是事故發生的主要因素。該支護方式按懸吊理論進行設計，在巷道的圍巖中沒有形成擠壓加固拱。當煤層變軟，傾角變大，巷道位置又靠近主要由炭質泥巖組成的松軟易冒落頂板時，受掘進壓力及構造引力影響，不能夠有效控制圍巖變形，是導致冒頂事故方式的主要原因。根據本礦井急傾斜、高應力、破碎圍巖、復合軟頂、強煤爆、裂隙發育等煤層特征，采用錨桿支護時，按照擠壓加固拱原理設計較為合理。而加固拱理論最適宜的巷道斷面為半圓拱形，巷道承受礦壓沖擊的性能和圍巖的穩定性易于得到保證。

圖1

②冒頂揭露情況顯示：704運輸順槽布置在距頂板2米左右的煤層中，煤層上部為0.3-0.7m厚的鋁質泥巖，其上部是4m左右厚的炭質泥巖、鋁質泥巖互層，巖層傾角約65-70°，且與煤層傾向形成較大夾角，系較為典型的構造作用下形成的易碎、易漲、易落復合頂板。巖層傾角在65-70°之間導致和影響巷道頂板側的錨索呈順層理支護，違背了錨網支護理論。強烈礦壓本身是一種“能量”釋放，本區域巷道頂板支護狀態，客觀上成為整條巷道支護的最弱面，在強礦壓顯現時，成為釋放能量的“最佳通道”。“突然來壓”與上述原因偶合是這起冒頂事故的又一原因。

③地質預測預報不能準確的指導施工，特殊地質構造段的錨網支護參數，不能滿足強礦壓情況下巷道支護抵抗破壞的要求。

④支護效果的監測監控不能有效支持支護理論。巷道雖進行收斂量、移近量的觀測，但分析和數據處理空白，導致了巷道在頻繁礦壓作用的情況下，部分錨索被破壞，巷道變形嚴重。但沒有及時制定有效的安全技術措施，最終導致了冒頂事故發生。

⑤隨著開采水平的延伸，704運輸順槽距地表深度500～600m，工作面布置接近向斜軸部，受構造引力影響，礦山壓力進一步增大。但錨網支護理念、支護工藝、施工管理未及時改進和提高，原支護方式不能有效控制圍巖變形，確保掘進安全。

2 錨網支護工藝的優化改進及初步效果

通過對冒頂機理的分析和該條件下錨網支護技術的反復研究，我們對巷道的施工工藝和支護方式做了較大優化改進。

2.1 巷道斷面 根據本礦井急傾斜高應力強煤爆裂隙發育全煤巷道的特征，采用半圓拱形斷面，巷道承受礦壓沖擊的性能和圍巖的穩定性易于得到保證。

2.2 巷道支護方案及支護材料的優化

2.2.1 隨著開采水平的延伸，以及受構造引力影響，礦山壓力進一步增大，“煤爆”震動現象嚴重，圍巖裂隙發育穩定性差。將錨桿支護擠壓加固拱和圍巖強度強化原理有機結合，以支護質量檢測、礦壓觀測數據為基礎，采用工程類比法進行動態支護設計，初步方案經過井下施工和礦壓觀測最終確定如下：

巷道采用錨網（頂部能一次成形時采用錨梁網）支護，錨索補強加固。錨桿按矩形布置，一般條件下間排距700×700mm，煤層松軟（或破煤層頂板掘進時）、礦壓顯現劇烈、“煤爆”大成形困難時，可縮小到600-650mm，圍巖較穩定成形好時可放大到800-900mm，錨索按矩形布置于兩拱肩部及巷道頂部中間，每排3根，排距2.1m，間距1.4m。

頂幫錨桿選用同一規格φ22×2600mm的等強度螺紋鋼，錨桿配件采用穹形金屬托盤（120×120×10mm），半球墊、尼龍減摩墊片、快裝螺母（幫上為加厚螺母）和木托板（200×200×60mm）。頂部用一支 CK2360（S2360）和二支Z2360樹脂藥卷錨固，幫部用CK2360（S2360）、Z2360各一支錨固。錨索采用φ17.8×7000mm的鋼鉸線和300×300×60mm的木托板及200×200×16mm的鋼托板，用一支CK2360和二支Z2360樹脂藥卷加長錨固。護網采用12#鉛絲編織的菱形網，網孔30×30mm。（圖2支護斷面示意圖）

圖2

2.2.2 該支護方案在支護材料方面做了如下改進：巷道幫頂采用同一規格（φ22*2600mm）等強螺紋鋼錨桿。隨著開采深度的不斷增加，巷道側壓越來越大，巷幫的加固不但要平衡側壓，防止松動圈擴大、平衡拱跨度的增加，還應為頂部的擠壓拱提供一個穩固的支撐。基于上述分析，巷道幫頂采用同一規格錨桿，加強了幫部支護，進一步提高了支護的穩定性。

錨桿安裝時增加了防彎球墊和尼龍減摩墊片。防彎球墊調整了錨桿（索）的受力方向；尼龍減摩墊片使錨桿預緊力矩盡可能轉化為托板對煤壁的擠壓加固力，提高了錨桿安裝載荷，極大地提高了錨桿對圍巖的加固效果，巷道圍巖的松動和變性明顯降低，圍巖自穩能力進一步增強。井下試驗證明，M24螺母直接與托板接觸，預緊扭矩達到350N·m時，錨桿軸向力（即有效預緊力）為20-30kN，同條件下加上半球墊（托板中孔結構與球墊相吻合）和尼龍減磨墊（其它材質的減摩效果差，有些甚至增加摩擦力）時，錨桿軸向力＞70kN。

錨桿絲扣加工由原來的切屑加工改變為冷軋滾絲加工，解決了錨桿不等強、絲扣段容易斷裂等問題。

頂部快裝螺母、快裝工藝的實施，提高了錨桿安裝速度。縮短了頂板空頂時間，減少頂板早期松動、開裂和冒落。

2.3 施工工器具優化改進 施工機具：頂部采用MQT—130C1型風動錨桿機，φ28mm 鉆頭，B19×1.3m 和B19×2.6m鉆桿打眼，并配合快裝器（應與快裝系統相匹配）實現錨桿快速安裝。煤幫用MQTB—80型風動幫錨桿機打眼并安裝。螺母的預緊，采用錨桿鉆機配套扭矩放大器一次預緊至要求值（錨桿預緊扭矩不小于350N·m）。小孔徑錨索用頂錨桿機、φ28mm鉆頭、B19mm×7m組合鉆桿打眼，配合QI19型錨索安裝器實現錨索快速安裝，錨索風動張拉泵完成預應力緊固（錨索預緊力不小于30MP）。巷道掘進采用掘進機。

頂錨桿實現了及時支護、快速安裝工藝，將頂板空頂時間限定在10min以內，該施工工藝取得了良好的效果，主要表現為“煤爆”的頻率強度降低，掘進后新暴露圍巖的穩定性提高，有利于巷道的快速掘進，形成了良性循環。

提高了錨桿安裝載荷，減少和消除頂板離層和拉應力區，增加圍巖的自承載能力，有效預防了圍巖早期變形松動。錨桿的預應力是控制圍巖早期變形的重要參數，是主動及時支護的源泉。頂板的離層和拉應力區與預應力的大小有直接關系，適當的預應力可以消除拉應力和防止頂板離層發生。預應力過小會使圍巖發生過大的早期變形，松散破碎圈增大，引起頂板破碎，巷道變形增加。

錨桿預緊力的提高是通過對螺母施加預緊扭矩而實現的，對于同一種錨桿配件預緊扭矩越大錨桿對圍巖的預緊力就越大，但并不是預緊扭矩越大越好。通過試驗和理論分析證明，預緊扭矩也存在一個臨界值，當大于該值時，特別是采用氣動扳機施加沖擊扭矩預緊時，就會造成螺紋聯接部位的局部損傷和破壞，給錨桿的加固埋下隱患。針對當前使用錨桿和螺母的材質、結構性能以及預緊機具的性能，將M24螺母的預緊扭矩確定為≥350N·m。

2.4 施工工藝的優化改進

2.4.1 小斷面掘進，減小煤巖暴露面積 對于急傾斜裂隙發育的大斷面全煤巷道，若采用掘進機全斷面掘進，就會出現“煤爆”頻發強度大，導致兩幫及前方煤體片滑，頂部抽頂，很難進行錨桿支護。針對這種情況，改進了截割工藝，首先在巷道正前頂部掘“V”字形斷面，在巷道中間支鉆，扇形布置巷道頂部3-5個頂錨桿，及時有效地進行巷道頂部支護，然后再錨兩幫，兩幫留有護幫煤，并滯后迎頭2-3片網支護。并在工作面正前易抽冒部位打注3-4根超前錨索（錨索規格￠15.24×3500mm，錨索眼角度 5-10°），每次掘割后，及時將錨索緊固，有效預防了施工過程中正前抽冒片幫現象，確保了施工安全。這種方法的使用，減少了“煤爆”及斷層破碎帶對掘進工作的影響，巷道的成形質量和圍巖的穩定性有了很大的提高。

2.4.2 及時有效加固，形成良性循環 錨桿支護的核心是錨桿及其支護系統通過對圍巖及時有效高強度的加固，充分發揮圍巖的自身強度，在圍巖中形成一個穩定的力學結構，從而提高圍巖的自穩能力和抵御外部載荷及礦壓的作用。根據上述原理，采用了φ22mm等強度螺紋鋼錨桿及其科學合理的配件，并優化了該條件下的快速安裝工藝，將頂板空頂時間限定在10min以內，錨桿預緊力不低于70kN。該施工工藝取得了良好的效果，主要表現為“煤爆”的頻率強度降低，掘進后新暴露圍巖的穩定性提高，有利于巷道的快速掘進，形成了良性循環。

2.4.3 局部巷道過煤層偽頂的成形方法和加固措施為滿足大傾角綜放工作面開采的需要，運輸順槽一般靠近煤層頂板2-3m布置。由于煤層厚度及地質條件的變化，局部巷道沿煤層頂板或破頂掘進，在這種情況下巷道左上角破頂且頂部存在三角煤。煤層頂板為：偽頂0-5.67m的炭質、鋁質泥巖、松軟易碎易冒落；直接頂4-19.2m的砂質泥巖，致密易冒落。由于巖層傾角大、應力高、偽頂屬炭質、鋁質泥巖松軟破碎易滑易冒落，給巷道的成形和穩定造成很大的影響。井下施工中除嚴格貫徹以上幾種措施和方法外，還采取人工挖掘即“挖一、注一”的方法（人工利用炮錘風鎬挖掘一根錨桿位置，及時打注一根錨桿控制煤層偽頂），及時控制巷道頂部，然后施工兩幫錨桿。為防止網后松軟煤巖漏空，導致支護失效，采用在金屬網后掛彩條布的方法堵漏。以上措施的應用防止了破頂掘進時頂部炭質、鋁質泥巖抽冒現象，提高了巷道的成形質量和圍巖的穩定。

3 支護效果分析

3.1 礦壓觀測內容及其作用 根據巷道變形與加固效果之間的關系，采用了以下幾種方法進行了觀測和分析：

①采用DW-3型多點位移計對圍巖松動變形情況進行觀測分析，主要對錨桿加固范圍內、外和加固范圍內不同深度煤巖體的松動及加固效果進行觀測，并結合錨桿托錨力和巷道表面收斂變形進行綜合分析研究。

②采用ZM-250型錨桿托錨計監測錨桿安裝和服務期間實際受力情況，包括安裝時不同的錨桿配件條件下預緊扭矩與錨桿軸向力的關系，以及不同位置的錨桿軸向力隨時間的變化和穩定期。

③采用JSS30A型收斂儀觀測巷道表面收斂變形情況，主要是為了提高觀測數據的可靠性和精確性，為綜合分析巷道加固效果提供最基本的依據。

④采用YLMY-Ⅱ型頂板離層儀觀測巷道頂板離層松動情況，主要是對巷道頂部錨桿加固范圍內和加固范圍外煤體的松動和離層情況進行直觀監控，為掘進頭施工提供一個直觀的安全警示。

3.2 測站設置及支護效果分析 為了科學的驗證巷道圍巖控制效果，在運輸順槽和切眼掘進期間共設了4個測站，對巷道表面收斂、深部位移、頂板離層和錨桿受力情況進行了觀測（相關測數據略），通過對觀測數據的整理分析可獲得如下幾點結論：

①巷道圍巖變形量小，頂板下沉量在67-90mm之間，兩幫移近量在56-71mm之間，錨桿加固效果十分顯著。②頂幫錨桿受力一般不超過100kN，桿體處于彈性工作狀態，拱部個別錨桿最大受力達到169kN，桿體處于屈服狀態，說明該條件下錨桿按屈服受力設計能滿足巷道加固要求。③圍巖深部位移和頂板離層觀測表明，全煤巷道圍巖變形范圍較大，但變形主要來自于加固拱內，加固拱內變形又存在頂部拱上大于拱下，兩幫淺部大于深部，這也證明了圍巖中加固拱的存在。④巷道的變形和錨桿受力都存在開掘后前4-5天變化劇烈，12-15天后趨于穩定。

4 結論

①通過對寶積山煤礦704運輸順槽冒頂事故分析，基于該礦“急傾斜、高應力、破碎圍巖、復合軟頂”復雜地質條件，將錨桿支護擠壓加固拱和圍巖強度強化原理有機結合，以支護質量檢測、礦壓觀測數據為基礎，采用工程類比法進行動態支護設計，確定了復雜條件下錨網索聯合支護參數；在巷道支護方案設計、巷道斷面選型、施工工藝、工器具及支護材料等方面提出了優化改進措施，并在現場應用實施，有效控制了巷道圍巖變形，確保了掘進安全。②該成果自2010年5月推廣實施以來，已施工巷道6000多米。從巷道礦壓觀測資料及回采情況看，巷道支護方案設計及其施工工藝是科學合理的，巷道收斂變形較小，錨桿（索）無折損現象，經回采工作面初次來壓、周期來壓檢驗，巷道支護安全可靠，滿足回采需要，技術經濟效益和社會效益顯著，其試驗成果可以在類似地質條件下參考應用。

注：該項目在推廣實施過程中，得到了河北煤科院教授級工程師張恩強教授的大力支持和指導，在此表示衷心感謝。

該項目研究成果《急傾斜高瓦斯高應力復合軟頂煤巷錨網支護技術研究》于2012年9月8日通過甘肅省科技廳鑒定，達到國內先進水平。

[1]韓留生.煤礦井巷漏垮冒頂的處理及預防[J].中國煤炭工業，2010（06）.

[2]嚴桂軍.煤礦頂板事故的成因與預防[J].裝備制造，2009（05）.

[3]鄭紀峰.煤礦綜放工作面冒頂原因分析及處理方法[J].裝備制造，2009（08）.