煤礦運輸巷道冒頂原因分析及支護強化技術研究

薛振華

（山西大同永定莊煤業公司，山西 大同 037024）

引言

在所有的煤礦安全事故中巷道冒頂是經常出現的事故之一[1-2]。一旦工作面巷道出現冒頂問題，就會威脅礦井生產的安全性，輕則給煤礦企業造成經濟損失，重則造成人員傷亡[3]。引發工作面巷道出現冒頂問題的原因是多方面的，需要根據具體問題開展具體分析[4-5]。本文以某煤礦工作面運輸巷道出現的冒頂問題為例，分析了巷道冒頂的機理，在此基礎上對其巷道支護技術方案進行強化，極大提升了煤礦的安全性。

1 工程概況

本文研究的工作面位于煤礦的西北區域。煤層厚度范圍為5.93～6.29 m，厚度平均值約為6.13 m，煤層傾角范圍為2°～4°，可以看出傾角相對較小，屬于近水平煤層，煤層埋深大約為250 m。工作面的運輸巷道截面形狀為矩形，其寬度和高度分別為6 m和4 m，長度超過了5 000 m。該巷道在掘進時地質構造影響不大，但巷道所在區域煤層縫隙內存儲有大量積水。

運輸巷道在服役過程中出現了冒頂安全事故，對煤礦開采過程造成了非常不利的影響。具體出現冒頂的位置大約在4 385～4 403 m 范圍內，出現冒頂的長度約為18 m，寬度和高度分別為5.7 m 和4.3 m。冒頂安全事故嚴重阻礙了煤礦開采的順利推進，必須對引發冒頂問題的原因進行深入分析，在此基礎上提出針對性的治理措施，保障后續開采過程的安全進行。

2 工作面運輸巷道冒頂原因

2.1 巷道圍巖遇水發生軟化

基于前期地質勘查結果可知，工作面所在區域的圍巖穩定性屬于中等水平。巷道直接頂以粉砂巖和砂質泥巖為主，平均厚度約為3.5 m。基本頂主要是粗砂巖，抗壓強度在15～32 MPa 范圍內。底板圍巖主要為粉砂巖和泥巖，抗壓強度在8.9～32 MPa 范圍內，這種性質的圍巖容易出現軟化進而引發破碎，尤其是在遇水時更容易出現軟化問題。

運輸巷道東北側為另外一個工作面采空區，該區域囤積有很多積水，積水可能會發生側漏進入到運輸巷道圍巖中，導致圍巖出現滲水問題。砂質泥巖長時間受到積水浸泡和沖刷，出現軟化現象，使得圍巖穩定性顯著降低。出現上述問題的范圍大約在距離巷道頂板1.28～4.22 m 范圍內。由于該部分圍巖軟化，導致錨桿無法有效固定在圍巖基體中，甚至完全失去錨固效果，進而引發冒頂安全事故。

2.2 支護方案存在缺陷

工作面運輸巷道采用的是“錨桿錨索+金屬網+噴漿”的聯合支護方案。使用的是圓鋼錨桿，其直徑和長度分別為18 mm 和2.1 m。頂板區域中間兩根錨桿之間的距離為0.8 m，其余錨桿之間的距離全部設置為1.2 m，兩排錨桿之間的距離同樣設置為1.2 m。幫部區域使用的錨桿，其間距和排距全部設置為1 m。錨索只安裝在頂板區域，使用的錨索直徑和長度分別為17.8 mm 和6.5 m，相鄰兩根錨索之間的距離設置為2.5 m，相鄰兩排錨索之間的距離設置為2.4 m，即間隔兩排錨桿設置一排錨索。菱形鋼筋網采用直徑為6.5 mm 的鋼筋焊接制作而成，菱形邊長為200 mm。泥漿噴射厚度為50 mm。工作面運輸巷道支護技術方案斷面示意圖如下頁圖1 所示。

針對出現冒頂區域的錨桿錨索進行分析后發現，幾乎所有錨桿全部發生脫落，冒高范圍已經完全覆蓋錨固深度，表明錨桿已經失去了其原有的錨固作用。另外有部分錨索出現被拉斷的現象。基于以上分析，認為原有運輸巷道錨桿錨索支護技術方案存在兩個方面的缺陷，一是錨桿長度不夠導致錨桿無法起到應有的懸吊作用，二是錨索強度不足導致出現被拉斷的現象，最終引發巷道頂板冒頂。

圖1 巷道支護技術方案斷面示意圖（未標單位：mm）

3 煤礦運輸巷道支護強化技術

上文主要對煤礦運輸巷道頂板出現冒頂的原因進行了分析，主要是巷道圍巖自身屬性不穩定，遇水后發生軟化，另一方面是巷道圍巖錨索錨桿支護技術方案存在缺陷，無法起到有效的支護效果。因此針對冒頂問題進行控制時，可以從支護技術方案著手，對支護方案進行強化，提升其錨固效果。

基于冒頂現場分析結果可知錨桿長度不足，因此將頂板原有長度為2.1 m 的錨桿換成3.5 m 的錨桿，其他參數保持不變。將頂部區域錨索規格尺寸更換成為直徑21.6 mm，長度8.2 m，不僅增大直徑，同時延長長度，提升錨索的強度以及錨固效果。考慮到錨索安裝施工過程的方便性，將相鄰錨索之間的距離設置為2.4 m，但每排增設1 根錨索，由原來的2根變成現在的3 根。為確保巷道圍巖被積水浸泡軟化后錨索仍然能夠發揮其應有的效果，將每排錨索之間的距離設置為1.5 m。另外在出現冒頂的區域增加設置T 型鋼帶進行補強支護。除上述所述補強措施外，其他安裝措施和技術參數全部與原支護方案相同。

4 巷道支護強化技術應用效果

為驗證本文所述巷道圍巖支護技術方案的強化效果，按上述支護方案進行施工后對出現冒頂區域的巷道進行連續30 d 的監測。監測對象主要包括巷道圍巖表面的位移變化情況以及錨桿錨索的錨固力變化情況。其中圍巖表面位移變化情況通過“十字交叉法”進行測量，而錨桿錨索的錨固力則需要借助專業的測量工具進行檢測。

1）巷道圍巖表面位移變化情況。如圖2 所示工作面運輸巷道表面圍巖位移隨時間的演變曲線。從圖中可以看出，不管是頂底板變形量還是兩幫變形量，在剛開始階段均出現了明顯的變化，隨時間推移其變化速率逐漸減緩，最終趨于穩定。在15 d 左右時，巷道圍巖表面基本不再出現明顯的位移變形情況。穩定狀態下頂底板變形量和兩幫變形量的最大值分別為106 mm 和122 mm 左右。

圖2 巷道表面位移變形量隨時間的演變曲線

2）錨桿和錨索錨固力變化情況。如圖3 所示錨桿和錨索的錨固力隨時間的演變曲線。從圖3 中可以看出，剛開始階段幫部錨桿和頂板錨桿的錨固力大小均在40 kN 左右，頂板錨索的錨固力約為91 kN。隨時間推移不管是錨桿還是錨索的錨固力均出現了不同程度的增加，尤其是頂板錨索錨固力增加幅度相對較大。穩定狀態下，頂板錨桿和幫部錨桿的錨固力大小大約為88 kN，而錨索的錨固力超過了220 kN。

圖3 錨桿錨索的錨固力大小隨時間的變化曲線

基于以上數據分析可知，對煤礦工作面運輸巷道支護方案進行強化后，巷道圍巖穩定性有了顯著提升。錨桿和錨索的錨固力得到強化，使支護效果顯著提升。最終的結果就是巷道圍巖表面位移變形情況控制在合理范圍內，保障了煤礦開采過程的安全性。

5 結論

煤礦開采中需要掘進很多巷道，巷道服役過程的可靠性和穩定性對煤礦安全有非常重要的影響。但在實踐過程中巷道頂板經常出現冒頂問題，嚴重威脅礦井安全。某煤礦工作面運輸巷道出現了冒頂問題，在充分分析巷道圍巖基本屬性的基礎上，對巷道出現冒頂問題的原因進行了系統全面的分析，認為導致巷道冒頂的原因主要是圍巖遇水后出現軟化，降低了圍巖的穩定性，同時還弱化了原有錨桿和錨索的支護效果。在多方面因素綜合影響下，最終引發冒頂安全事故。在此基礎上，對巷道錨桿錨索支護技術方案進行強化處理，通過工業現場實踐監測發現，優化后的巷道支護技術方案完全能夠滿足實際使用需要，提升了巷道圍巖的穩定性，保障了礦井的安全。