复合顶板条件下煤巷综掘技术

王敬卫,孙炳兴

（1.淮南矿业集团公司 张集煤矿，安徽 淮南 212300；2.煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆 400037）

复合顶板条件下煤巷综掘技术

王敬卫1,孙炳兴2

（1.淮南矿业集团公司 张集煤矿，安徽 淮南 212300；2.煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆 400037）

张集煤矿在煤巷上山综掘施工中，为解决节理、裂隙发育的复合顶板掉顶难题而提出的系列技术实践与创新，分析并验证了采用分部掘进、分次成巷（即先割顶部架顶梁，后割底部载棚腿）的施工方法，成效显著，可为此类条件下煤巷综掘提供实践经验。

复合顶板；棚网支护；综掘；分次成巷

1 煤矿概况

张集煤矿为高瓦斯突出矿井，1214（1）工作面为一倾斜长臂工作面，标高范围－630 m～－430 m，工作面宽249.3 m，倾斜长2 174 m～2 197 m，两巷及工作面切眼沿11-2煤层顶板掘进。11-2煤层以块状为主，局部片状及粉末状；煤层结构复杂，含0～2层夹矸（以泥岩为主），煤层厚度2.35 m～3.89 m，倾角2°～9°，平均5°。11-2煤层顶板是复合顶板，直接顶为泥岩，含11-3煤线（约0.5 m），局部含粉砂岩，有较多植物化石碎片，部分段裂隙、节理发育明显，老顶为细中粒砂岩，煤层底板以泥岩为主。两顺槽支护设计为锚索网支护或“U”型棚网支护，以锚索网支护为主，当顶板不稳定时采用棚网支护。掘进中发现顶板多处节理、裂隙发育，主要采用棚网支护，“U”型棚网支护断面规格：净宽·净高＝5 000 mm·3 630 mm，净断面积为15.32 m2。采用S150J综掘机掘进一次成巷。

2 施工中遇到的问题

1214（1）工作面是复合型顶板，特别是在节理、裂隙发育段，施工中直接顶经常掉落；有时在综掘机割完顶煤15 min～20 min后，刚暴露的顶板即有大块矸石掉落，一般掉落高度为1m～1.5m。由于大面积掉顶，造成巷道顶部出现大面积空洞，不但危及井下工人安全，增加煤巷支护难度；而且空洞容易造成瓦斯积聚，加大矿井瓦斯灾害隐患。

为减少掉顶的发生，在掘进施工中尽量减小控顶距，采用棚距600 mm，最大控顶距900 mm“掘一架一”的施工方法。这样，不但影响掘进速度，而且效果不是很好，仍有随掘随掉现象。后又采取打撞楔的超前支护，虽可解决掉顶问题，但是频繁打撞楔的施工方法，不但增加支护成本，而且严重影响掘进速度。

3 施工问题的分析

3.1 复合顶板掉落的力学分析

复合顶板的力学状态极为复杂，分离岩块的散体在三维空间有六个自由度，即在各个方向力和力矩作用下发生运动或保持平衡的六面体[1]。假设六面体下侧有自由空间，则六面体就有沿倾斜向下的推力。当六面体有向下推的趋势时，岩层断裂面将产生阻止六面体下推的摩擦阻力；上侧断裂面也会由于岩层似断未断，而有阻止六面体下推的向上拉力；支护的迎山角也会对六面体下推有个阻力。当总阻力小于六面体向下的推力时，就会发生冒顶。对复合顶板的掘进工作面，掘进时破坏了顺槽的复合顶板，可能给六面体开创一个去路，既增加产生六面体的可能性，又减小已产生六面体下推时的阻力。当六面体周围出现一个自由空间，使六面体有了去路，而且六面体向去路方向又有一定的倾角时，在自重作用下六面体就有向去路方向的推力，从而使复合顶板出现掉渣冒顶现象。

再者，受开挖扰动的影响，巷道围岩帮部产生的是拉应力，为应力降低区，说明此范围的岩层由于开采扰动的作用，已经处于屈服破坏的状态,压应力集中区向深部转移。在巷道顶板处部分岩层的主应力表现为拉应力，顶板岩层中部呈现拉伸破坏趋势，顶板两角主要呈剪切破坏趋势[2]。巷道在掘进过程中，除产生瞬时的弹塑性变形外，随着时间的推移还会产生蠕变变形，也就是说复合顶板的破坏程度与其空顶时间成正比。

3.2 1214（1）掘进面复合顶板冒落分析

根据复合顶板的力学分析、平衡条件、影响因素可知，导致张集煤矿1214（1）工作面顺槽掘进面复合顶板经常冒落的原因有：顶板节理、裂隙发育，加速综掘机割煤后顶板膨胀、变形、断裂、失稳、最后掉落这一过程；1214（1）工作面的顺槽净宽5 m，净高3.64m，顺槽巷道沿煤层倾向方向向上掘进，煤层倾角2°～9°，平均5°。掘进断面大、且有一定上山角度，使两帮及迎头煤体易片帮，容易导致复合顶板的失稳，而破碎的顶板在自身重力的作用下极易出现掉顶现象；在一次成巷一个掘进循环施工中，最短空顶时间30min～40min，空顶时间较长。对于不稳定的顶板，空顶时间越长，顶板在支护前就越容易膨胀、变形、断裂，最后掉落；综掘机在掘进割煤时，会给工作面附近的煤岩体以很强的扰动应力并产生强烈振动，增加了工作面迎头及附近两帮煤体片帮程度，加速工作面后方空顶区岩层膨胀变形、断裂，使直接顶与老顶的离层加快；最终加快直接顶失稳掉落。

4 解决问题的方法

4.1 新的施工方法

通过以上分析看出，不进行超前支护时，要解决施工中的掉顶问题，必须在顶板掉落前做好支护，缩短顶板空顶时间。正常顶板情况下的施工工艺流程为：安全检查→切割并清煤→移前探梁→架棚梁→背顶→载棚腿→背顶→载棚腿→上卡缆→背帮。

但是上述施工工艺流程在裂隙、节理发育的复合顶板条件下，却经常发生掉顶现象，因此需要改进流程、缩短空顶时间。在顶板掉落前支护好顶板，而分部掘进、分次支护的施工方法，即先割顶部架顶梁、而后割底部载棚腿，可实现提前支护，大大缩短复合顶板的空顶时间，该施工方法的工艺流程如下：安全检查→切割上部并清煤→移前探梁→架棚梁→背顶→上棚梁卡缆→安全检查→切割下部并清煤→载棚腿→上棚腿卡缆→背帮。

分部掘进、分次成巷架顶梁前掘进工作面示意图，见图1。

图1 分次成巷掘进工作面示意图

4.2 分部掘进分次支护效果分析

张集煤矿1214（1）工作面运输顺槽采用分部掘进、分次成巷的施工工艺，在节理裂隙广泛发育的复合顶板条件下，顺利掘进煤巷1 000 m以上，虽与一次成巷掘进程序有所增多，掘进速度也稍有降低，但很好地解决了复合顶板随掘随掉问题，对于安全生产起到至关重要作用。

分部掘进、分次成巷在此种复合顶板条件下煤巷掘进取得成功，可从以下四个方面进行分析：第一，采用综掘机掘进两次成巷施工时，先割顶部煤后形成一个台阶（见图1），并及时对上部刚揭露的顶板及两侧巷帮进行支护，减小巷帮两角剪切破坏趋势，能有效减少割底煤时巷道两帮及上部迎头工作面煤体片帮的发生，防止了因片帮而影响顶板的稳定性，从而减少掉顶的发生。第二，采用两次成巷施工时，能有效的减少空顶时间。根据1214（1）工作面运输顺槽施工现场统计，综掘机掘进一次成巷作业时，割煤需要时间为25 min～30 min；而采用两次成巷施工时，割顶部煤需要时间12 min～15 min，可以减少空顶时间10min～18min。空顶时间越短就越容易避免掉顶，因此两次成巷可以减少掉顶的发生。第三，综掘机先割顶煤作业时间短，顶板岩层只发生弹塑性变形，还未处于屈服破坏状态，相对于综掘机一次成巷更容易避免由于割煤振动引起的掉顶。第四，两次成巷施工，可以减少伤人事故及事故隐患，并减弱事故破坏。割顶部煤后形成一个台阶，当顶板大块矸石掉落时先落到台阶上，从而避免伤人，即使出现事故，也由于台阶的缓冲可以减弱事故的破坏力度。再者，支护良好时，则无顶板空洞存在，可杜绝瓦斯积聚的空间，从而减少事故隐患。

5 结论

张集煤矿1214（1）运输顺槽施工中，广泛采用新的施工方法，在顶板管理方面取得了不错的效果。实践证明，这一施工方法在裂隙、节理发育的复合顶板条件下，切实可行并卓有成效。在裂隙、节理发育的复合顶板条件下，采用综掘机分部掘进分次支护，即先割顶部煤架顶梁、而后割底部载棚腿的施工方法，能有效地减少掉顶的发生，并可避免频繁使用打撞楔的超前支护，能有效地加快掘进进度。但在遇到构造引起的顶板破碎比较严重时，由于割煤后顶板就有可能掉落，须打撞楔或打超前锚杆进行超前支护。

[1] 高树山，康岱昌，等.复合顶板冒落原因和控制[J]:煤炭科技,2007，26（6）.

[2] 李日富，回采巷道围岩三维受力特征及其维护的研究[D].太原：太原理工大学，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

编辑：刘新光

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

王敬卫（1978—），男，河南禹州人，大学本科，助理工程师，从事煤炭采掘技术研究及管理工作。