补连塔煤矿22303回风巷片帮事故分析及处理方法

王 洋，林 健，高 亮，刘兆祥

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;3.中国神华神东煤炭集团公司补连塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯017209)

随着我国综合机械化技术及装备的快速发展，国内建设了大批年产千万吨级的安全高效矿井。国内大型煤矿企业通过先引进或自主研发先进采煤设备，成功装备了超重型一次采全高综采工作面，实现特厚煤层安全高效一次采全高综采技术［1］。随着该技术的发展，针对工作面准备、回采过程中矿压、顶板管理及巷道支护等技术问题亦需进行深入研究，且需总结出在此类回采条件下解决这些问题的相关技术。本文通过对补连塔煤矿22303综采过上覆倾向煤柱过程中巷道出现的问题及其解决方法进行技术分析，为此类工作面特殊地段巷道选择合理的支护方式提供经验。

1 22303工作面概况

1.1 工作面地质赋存

22303工作面位于补连塔煤矿2－2煤三盘区，煤层平均厚7.55m，设计采高6.8m;煤层的变异系数0.7，密度1.28×103kg/m3;煤层结构简单，倾角 1～3°;地质储量 14.4454Mt，回采储量13.11Mt。

1.2 工作面布置

22303工作面采用倾斜长壁布置，工作面长度为301m，推进距离4965.7m。22303工作面回采过程中须经过上覆1－2煤回采所遗留的旺采煤柱、倾向煤柱、12304巷道煤柱以及12304采空区，见图1所示。

1.3 工作面巷道支护方式

工作面两巷采用锚网支护，顶板及采空区侧帮锚杆规格A3圆钢φ16mm×1800mm，配圆型钢带，φ10mm×80mm×3900mm，10号镀锌铅丝网3000mm ×1000mm，网格45mm×45mm。锚固长度300mm，工作面侧帮锚杆为玻璃钢锚杆，φ18mm×1800mm，配木托盘400mm×200mm×500mm，塑料网。巷道支护布置图见图2。

图1 22303工作面布置

图2 回风巷支护示意

2 22304回风巷片帮冒顶过程

2.1 工作面机尾联巷顶板下沉

根据相邻工作面 (采高6.3m)过集中煤柱的生产经验，在工作面进入倾向煤柱区前对22304回风巷制定了相应的补强支护措施及安全技术措施，并在每个联巷密闭前架设两丛木柱，间距2.1m。但在工作面推进到76联巷口时，由于工作面大范围来压导致工作面发生严重的片帮以及架前漏矸现象，造成工作面刮板输送机压机从而致使停产。在矿方组织清矸工作过程中，基本顶持续来压，联巷处两丛柱开始发生折断，8h后密闭逐渐压垮，联巷口处出现底鼓现象，联巷两抹角处出现片帮。

2.2 工作面巷道变形破坏过程

2.2.1 采空区侧帮网兜

工作面30m的范围内巷道采空区侧帮开始出现片帮网兜现象，帮鼓最严重处达1.5m，巷道片帮现象严重，76联巷口大部分锚杆失效，部分W钢带被锚索沿孔眼撕裂。

2.2.2 工作面侧帮片帮垮落

距工作面40m范围内工作面侧帮片帮严重，煤壁片帮、垮落高度约1～3m，深度1m左右。工作面侧帮中下部塑料网撕坏，片帮处玻璃钢锚杆全部失效破坏，多数表现为剪切破坏。

2.2.3 巷道顶板冒顶

机尾端头液压支架拉架过程中将采空区侧帮网兜刮破，落下散煤将端头架掩埋，造成无法顺利移架，且刮板输送机清矸工作未完成，造成长时间停机，致使机尾端头架与超前支架空隙间出现冒顶现象，长1.6m，宽1.2m，深1m。冒顶及片帮位置如图3所示。

图3 回风巷片帮冒顶示意

3 问题分析

3.1 应力集中对巷道的影响

22303工作面上覆煤柱宽度达100m，其一侧为旺采采空区，另一侧为综采采空区。该煤柱属于两侧采空区煤柱，根据计算可知1－2煤上覆煤柱属于大宽度煤柱，其变形及铅直应力分布 (见图4)特点为:煤柱中央的载荷为均匀分布，值为原岩应力γH，煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般仍为破裂区、塑性区、弹性区，以及原岩应力区［3］。同时，22303回风巷是一条受二次动压影响巷道，其先后受到22302综采面及22303综采面回采侧向支撑压力的影响，其应力峰值区位于巷间煤柱上。因此在集中煤柱下方22303回风巷与22302运输巷间煤柱处于煤柱应力与侧向支承压力的应力峰叠加区域，其在回采期间所承受的矿压远大于此巷道在其他区域所承受压力，故此地段支护等要求应相对提高。

3.2 巷道支护强度

22303综采工作面采高达6.8m，工作面来压程度及巷道煤柱承载比同矿区内其他工作面大。回采期间工作面机尾与22304工作面巷道端口处矿压显现强烈，出现不同程度的锚杆失效，锚索锚具崩出现象。巷道选用 A3圆钢，规格 φ16mm× 1800mm，破断载荷96.7kN，扭矩100N·m，预应力约15kN，属于低强度低预应力锚杆。圆钢锚杆杆体强度低，可施加预应力值小，不能充分发挥锚杆的主动支护性能。由工作面过煤柱期间巷道破坏情况可知，巷道设计支护强度较小，不足以应对工作面特殊情况的发生。

图4 煤柱铅直应力分布示意

3.3 工作面停产影响

导致此次片帮、冒顶进一步恶化的另一主要原因是工作面长时间停机。回采工作面来压，顶板逐渐下沉，将巷道两帮煤壁压垮，造成锚杆失效，煤壁出现严重片帮、网兜，且煤壁破碎后失去其原有的承载能力，最终导致小范围顶板冒顶发生。

4 片帮、冒顶处理及技术理论分析

4.1 片帮、冒顶处理方法

4.1.1 快速清矸恢复生产

工作面停机造成22303回风巷两帮长时间处于承压状态，只有加快清矸工作，使工作面恢复正常生产，工作面才能快速推过巷道变形破坏区域，避免因周期来压造成巷道两帮进一步破坏。

组织工作面进行连续的正常生产，同时要求相关胶带连续正常运转，调整工作面下面端口割煤次数，在工作面机尾增加割煤，加快机尾通过冒顶区的速度。

4.1.2 巷道补强支护

在巷道变形破坏初始阶段，为预防周期来压造成巷道顶板下沉，在22303回风巷距76联巷口18m范围内用支撑圆木对顶板进行补强支护。支撑圆木紧贴采空区侧帮施工，规格 φ23mm× 4000mm，间距1.5 m，共12根。因工作面长期处于停机状态，工作面来压过程中将其中6根压折。由于初次补强支护圆木失效将初次补强支护方案更改，距76联巷口10m范围内改为打三丛柱，间距0.5m;距76联巷10m范围外打两丛柱，间距1m，施工距离40m。

为防止巷道两帮再次片帮，采取圆木支护方案的同时，对回风巷工作面侧帮用玻璃钢锚杆进行补强支护，锚杆规格φ27mm×2400mm，排距1.2m，每排1根，每套锚杆配规格500mm×200mm× 50mm木托盘。采空区侧帮使用锚索进行补强支护，锚索规格φ17.8mm×5000mm，在原有锚索的中间增打1套锚索，排距2.2m，每排1根。在机尾产生小范围冒顶后，回风巷顶板使用锚索加W钢带进行补强支护，锚索规格 φ17.8mm× 8000mm，排距2m，每排3根锚索均匀布置。

5 治理效果

补连塔煤矿围岩稳定，地质构造简单，地应力相对较小，井下巷道支护普遍选用低强度圆钢锚杆进行支护。工作面过煤柱应力峰值区期间，巷道片帮、垮帮引起的锚杆失效占此区域锚杆总数量的1/2，主要表现为网兜、锚杆裸露及W钢带撕裂。

对回风巷两帮增打锚杆进行补强，工作面侧帮片帮现象逐步得到控制，无明显垮落现象。工作面附近回风巷采空区侧帮鼓帮量减小至0.3m左右。工作面前方100m范围内回风巷采空区侧帮和联巷口片帮垮落得到治理。

机尾冒顶后，组织工作面进行连续的正常生产，同时要求相关胶带连续正常运转，另外在工作面机尾加刀，加快机尾通过冒顶区的速度。顺利通过冒顶区域，顶板下沉量减小到0.5m。机尾进入回风巷通道畅通，工作面的生产逐渐恢复正常。

6 结束语

(1)在此类巷道设计过程中，应先通过理论分析找出应力叠加峰值区，巷道开挖过程中对峰值区区域巷道进行加强支护。

(2)及时制定合理的安全技术措施，保证工作面在过煤柱过程中的正常生产，防止因停机带来影响。

(3)研究表明应力集中动压巷道中，高预应力锚杆支护能真正发挥锚杆的主动支护性能，有效控制应力集中引起的围岩变形;适当的锚杆支护密度，能使锚杆产生的有效应力区扩大，形成整体支护系统，但依靠增加锚杆支护密度进行补强支护，导致锚杆支护密度过高，支护系统作用并不能充分发挥。巷道表面网兜现象，大大弱化了锚杆的支护效果，因此在此巷道特殊地段支护中，应选取刚度大、护表面积大的锚杆、索配套构件，进一步预防片帮网兜造成的锚杆失效［3－6］。

［1］宁 宇.我国煤矿综合机械化开采技术现状与思考［J］.煤矿开采，2013，18(1):1－4.

［2］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［3］林 健，范明建，胡 滨.顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷技术研究［J］.煤矿开采，2013，18(1):43－46.

［4］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术 ［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［5］康红普，王金华，林 健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(4).

［6］康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用［J］.煤炭学报，2007，32(7):673－678.