淺探急傾斜松軟突出煤層掘進防高幫片幫技術

馬文峰 王茗田

摘 要：李子埡煤礦南二井煤層傾角達48°，為急傾斜煤層，礦井屬煤與瓦斯突出礦井，煤層結構基本穩定，但煤層松軟且局部軟煤層較厚，容易發生片幫，實體煤層掘進時高幫及頂板壓力大。煤巷掘進期間高幫煤層容易片幫、漏冒，固定架料頂梁的錨桿在剪切力作用下頻繁發生斷裂現象，且已施工的煤巷高幫架料容易變形、頂板容易下沉及離層后期巷修工程量大，給礦安全生產管理工作帶來了巨大的壓力。本文通過對煤巷高幫片幫支護方式的優化研究，確保煤巷高幫及頂板得到有效控制，保障了掘進作業安全。

關鍵詞：急傾斜;松軟突出煤層;防高幫片幫;優化支護

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0166-02

0 引言

李子埡煤礦南二井屬煤與瓦斯突出礦井，礦井核定生產能力30萬t/年，相對瓦斯涌出量36.5m3/t，絕對瓦斯涌出量25.2m3/min。礦井井田范圍位于龍王洞背斜東翼，煤層構造簡單、煤層單一，煤層厚度1.4m～3.60m，平均厚度約2.4m，煤層傾角為42°～82°，平均48°。煤巷掘進期間受掘進工藝、支護技術、煤層松軟等綜合因素影響，高幫容易片幫、頂板上的盲區支護困難，支護效果差，原有的支護方式不能滿足需要，為此，優化急傾斜煤層煤巷掘進高幫片幫后的處理方式及頂板支護技術為當務之急。

1 基本概況

1.1 地質情況

根據已揭露的煤層資料顯示，礦井開采的K1煤層結構簡單，厚度為1.4m～3.6m，平均厚度約2.4m，煤層結構為：0.35（0.12）0.9（0.08）0.8m，煤層硬度系數f=0.3～1。煤層產狀為128°∠48°，傾角42°～48°。

煤層直接底為灰黑色泥巖夾粘土巖，含植物碎片化石及黃鐵礦結核，遇水易泥化，厚約2m，硬度系數f=3～12;基本底為中砂巖、鋁質泥巖、石灰巖，厚約212m，硬度系數f=4～6。

煤層直接頂為灰黑色泥巖，含生物化石碎屑及黃鐵礦結核，厚約7m，硬度系數f=3～5;基本頂為石灰巖、粉砂巖、泥巖，厚約23m，硬度系數f=8～12。

1.2 原巷道斷面及支護方式

由于煤層傾角大，巷道斷面形狀設計為異形，巷道掘進斷面尺寸為：巷道下寬4400mm，高幫高2600mm，矮幫高1500mm，中高3900mm，原巷道高幫煤層采用架料支護，頂板及矮幫采用金屬網+錨桿+錨索+鋼筋梯聯合支護。如圖1所示。

原支護方式具體參數：頂板每排共布置5根φ20×2500mm樹脂錨桿，其中上、下兩端的錨桿與頂的夾角為65°，中間3根錨桿垂直頂板，錨桿間距為800mm，排距為800mm，每隔3.2m施工一根φ15.24×7300mm錨索，布置在頂板上端以下第二根錨桿處（替代第二根錨桿）;頂板下端第一根錨桿以下300mm為矮幫上端錨桿，矮幫錨桿共兩根，規格為φ20×2000mm樹脂錨桿，排距800mm，間距800mm～1000mm;高幫采用金屬支架、金屬網及笆片、排柴作為永久支護，金屬支架間距為800mm（中對中），金屬支架梁、腿選用11#礦用工字鋼。

1.3 掘進方式

采用全斷面遠距離爆破一次成巷方式掘進，掘進機出矸，后續采用皮帶運輸進倉，機車加礦車運出地面。

2 存在的問題

（1）煤層頂板來壓后固定架料頂梁的錨桿容易斷裂，容易造成巷道垮冒。

（2）頂板及巷幫來壓后，高幫架料“翹腳”及頂梁變形嚴重。

（3）爆破震動較大，而且不可控，容易破壞煤層完整性，加重煤壁片幫程度，既削弱了支護效果，又導致應力重新分布而發生誘導突出威脅，同時充填安全威脅大、施工困難，且充填物較大程度的影響了后期順層鉆孔封孔效果，導致其抽放質量差。

（4）煤層松軟，高幫上部煤層在爆破后等待排放有毒有害氣體時間為30min，造成高幫煤壁、頂板暴露時間長、面積大，容易在自重或瓦斯壓力作用下發生漏冒現象。

（5）巷道受水力壓力影響，巷道容易發生離層，底鼓等現象。

3 研究思路

一是掘進期間及時使用沙袋、注漿材料等充填架料后方空洞，確保架料背幫嚴實;二是優化炮眼布置，降低裝藥量，減少爆破煤層的破壞;三是施工走向錨梁主動加固煤層頂板同時減少頂板與煤層交界處的支護盲區;四是對巷道進行全斷面噴漿封閉，防止頂、幫風化。

4 實施方案

4.1 優化炮眼布置及裝藥量

一是減少較硬煤層中的炮眼個數，適當增加底板巖層中的炮眼個數;二是煤層軟煤層厚度大于1.4m時可取消原軟分層煤層中布置的炮眼;三是炮眼盡量布置在巖層中，減少對高幫煤層的破壞;四是降低每個炮眼裝藥量，煤層中布置的炮眼每個炮眼裝藥量不大于200g，底板巖層中每個炮眼裝藥量不大于600g，可根據現場煤巖層硬度做調整。

4.2 優化支護參數

根據多年急傾斜煤層巷道施工經驗和支護參數的考察，急傾斜煤層巷道永久支護采用錨桿、錨索、金屬網、噴漿及金屬整體支架聯合支護是可靠、有效的，但針對實施過程中存在的問題需改進支護參數，具體方式如下：

頂板每排共布置4根φ20×2500mm樹脂錨桿及一根φ15.24×3.5m錨索，頂板最上方固定架料頂梁的3.5m錨索與頂板面夾角成45°夾角向上施工，盡量減少頂板上方支護盲區，頂板最下方的錨桿與巷道矮幫夾角為30°，中間剩余3根錨桿垂直頂板施工，錨桿間距為800mm，排距為800mm，頂板中間每隔3.2m施工一根φ15.24×7300mm錨索，垂直布置在頂板上端以下第三根錨桿處（替代第三根錨桿），同時在距固定架料頂梁的錨索下方500mm處沿巷道走向施工一排錨梁（2m的W型鋼帶+2根φ15.24×7300mm錨索，錨索間距1.6m，與頂板面夾角為60°），錨梁施工距磧頭的距離不超過3m，搭接處的錨索在下組錨梁施工時鎖緊，頂板上還需鋪設錨網及鋼筋梯。

矮幫共布置兩根錨桿，規格為φ20×2000mm全螺紋樹脂錨桿，排距800mm，間距600mm，第一根錨桿布置在矮幫與頂板結合部下方600mm處，垂直與矮幫施工，第二根錨桿錨桿與水平面成20°向下施工。

高幫采用金屬整體支架、金屬網及笆片、排柴作為永久支護，金屬支架間距為800mm（中對中），金屬支架梁、腿選用11#礦用工字鋼，架料與架料之間采用專用連桿連接，將架料連接成一個整體，每兩架料采用1.1m長11號礦用工字鋼配合兩根φ20×2000mm全螺紋樹脂錨桿對架料腿子進行加固，最后采用噴漿支護封閉斷面，如圖2所示。

4.3 空洞充填處理

煤巷在掘進期間高幫側容易出現垮冒，形成空洞，如果形成的空洞不及時進行充填處理，一是掘進期間安全威脅大，容易造成頂板垮冒推垮架料，造成事故;二是后期如造成采煤工作面下出口頂板破碎持續加大，增大回采期間下出口管理難度，因此，在掘進期間做好該項工作十分重要。

掘進期間高幫垮冒形成的空洞大小不一，有的只有幾個立方，有的空洞則是有幾十個立方， 如果小空洞不及時處理，任其自然垮落，那么很大程度上會形成較大空洞，為后期回采帶來處理難度。

掘進期間煤巷高幫形成空洞后，應立即采取有效措施進行處理，處理方式有兩種，對于空洞深度小于500mm，寬度小于1m的空洞采用沙袋充填，對于空洞深度大于500mm，寬度大于1m的空洞采用噴漿充填的方式進行封堵。

5 實施效果

實施通過將固定架料頂梁的錨桿替換成錨索后，固定架料頂梁的錨索被剪切斷的情況在施工期間還未出現，提前在頂板上施工走向錨梁不僅增大了支護強度，同時也減少了頂板上方的支護盲區;通過及時處理垮冒形成的空洞，防止了頂板在自重力作用下進一步垮冒，不僅能有效提高掘進期間的安全性，還能夠提高回采期間下出口頂板穩定性。

6 結論

目前國內開采急傾斜煤層的礦井較少，而且開采急傾斜煤層都會選擇結構比較單一的煤層進行開采，像我礦開采的這種急傾斜、三軟（頂板軟、煤層軟、底板軟）且有突出危險性的煤層十分罕見，在掘進期間極易發生片幫，從而造成大型冒頂事故，我礦通過對煤巷掘進防高幫片幫支護技術的研究，總結出采用整體金屬架料配合錨索、走向錨梁聯合支護技術對巷道頂板及煤層高幫進行支護后，效果顯著。采用噴漿充填能夠有效防止高幫煤層進一步擴大，提高煤層及頂板支護的可靠性，便于掘進和回采期間的頂板管理，滿足安全使用。