大断面巷道冒顶区域安全支护技术措施

王 宁

（1.大同煤矿集团大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000；2.太原理工大学，山西太原 030024）

1 工程概述

大同煤矿集团塔山煤矿位于大同市以南30 km，矿井设计生产能力为3.0 Mt/a，为高瓦斯矿井，矿井内共分一盘区、二盘区、三盘区、塔山扩区等四个盘区，一、二、三盘区目前回采煤层为太原组3#～5#煤层，煤层平均厚度为17 m，塔山扩区回采煤层为山4#煤层，煤层平均厚度为3.5 m，山西组山4#煤层位于3#～5#煤层之上，层间距为40 m。2301巷位于塔山扩区西翼，巷道设计长度为1700 m，巷道断面规格为宽×高=4.5 m×3.6 m，巷道主要担负着8301工作面煤炭运输任务，巷道采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进450 m。2301巷顶板无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为为4.5 m，脆性大易破碎，岩石普氏系数f＜3.0，基本顶主要以粉砂岩为主，平均厚度为9.5 m。2301巷初步支护设计采用锚杆（索）网、喷浆等联合支护。

根据矿地测科提供资料显示，2301巷掘进至400 m处将揭露一条F5正断层，断层落差为1.5 m，倾角为45°，当施工巷道掘进至380 m处顶板开始出现破碎且伴随着局部冒顶现象，当巷道掘进至395 m处受构造应力及采动压力影响，顶板出现大面积冒顶，冒顶区域成圆形，圆形半径为2.0 m，冒顶高度为2.8 m。采用传统锚杆、锚索联合支护无法对冒顶区域进行维护，很可能出现二次冒顶事故。对此塔山煤矿通过技术研究，根据现场实际情况提出以“人工假顶+注浆+架设π型钢棚”的联合支护对冒顶区域进行维护，力求保证提高冒顶区域顶板稳定性，防止二次冒顶事故发生。

2 传统支护在冒顶区域中应用存在的难题

1）2301传统支护设计中锚杆采用长度为2.5 m的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排施工5根，锚杆间距为1.0 m，而巷道冒顶区域冒顶高度达2.8 m，且冒顶区域成半球形，采用锚杆支护效果差、施工难度大，特别是钢带配套锚杆无法施工。

2）2301巷在掘进期间顶板每排施工三根长度为5.3 m锚索，锚索间距为1.8 m，而在冒顶区域由于高度大，施工单锚索时需人工搭设工作盘，不仅施工难度大而且人员在施工过程中很容易发生事故。

3）在初步支护设计中对冒顶区域进行喷浆处理，而冒顶区域主要以炭质泥岩为主，岩石胶结稳定性差，受构造应力的影响，喷浆后顶板很可能出现塑性变形，甚至再次发生冒顶事故。

4）塔山矿为高瓦斯矿井，若对冒顶区域仅采用单一的锚杆、锚索支护，对冒顶区域不进行填充，很容易造成冒顶区域瓦斯集聚，甚至会发生重大煤矿瓦斯事故。

3 2301 巷冒顶区域联合支护措施

3.1 人工假顶施工及注浆

（1）首先分别在距冒顶区域2.0 m处及过冒顶区域2.0 m位置处分别施工两架锚索吊棚，锚索吊棚分别由两根长度为6.0 m锚索及一根长度为4.2 m钢梁（11#）组成。锚索吊棚与巷道设计顶板预留间隙高度为0.2 m。

（2）冒顶区域两端锚索吊棚施工完后，在两架吊棚中间搭设4根长度为9.0 m加长11#工字钢梁，钢梁平行巷道布置，加长钢梁间距为1.0 m，加长钢梁两端与锚索吊棚之间采用卡兰固定，且固定预紧力不得低于200 N·m，见图1。

（3）加长钢梁搭设且固定完成后，在其上方依次铺设风带、金属网以及半圆木，半圆木与加长钢梁垂直布置，半圆木直径不得低于0.3 m，长度为4.2 m，半圆木铺设平整且间隙不得超过0.2 m。

（4）当第一层半圆木铺设完后开始铺设第二层半圆木，为了提高后期注浆效果，在第二层半圆木铺设前在其下方铺设一层金属网，第二层半圆木与第一层半圆木垂直布置，第二层半圆木长度以两端顶住冒顶区域煤壁为宜。

（5）第二层半圆木铺设完后开始铺设第三层半圆木，且铺设工艺相同，整体半圆木成“井”型布置，直至半圆木与冒顶区域顶板接触严实。

（6）为进一步加强顶板胶结稳定性，2301冒顶区域人工假顶施工完后采用高压注浆泵向假顶缝隙内注射泡沫填充剂，该填充剂主要由基料与催化剂4:1混合而成，即时发泡迅速膨胀，膨胀倍数可达最初体积的15～30倍。膨胀泡沫2 min内即可凝固硬化。

图1 2301巷冒顶区域联合支护断面及局部剖面

3.2 架设π型钢棚

由于普通钢棚由一根顶梁和两根棚腿组成，在使用过程中主要由顶梁支撑压力，适用于断面小且顶板压力变化小的巷道中，而2301巷宽度为4.5 m，顶板冒顶区域架设假顶后上覆岩层压力集中在假顶上，所以普通钢棚顶梁受力大，很容易出现变形、断棚现象，对此塔山矿通过技术研究设计了π型钢棚，具体施工如下：

（1）π型钢棚同样由顶梁、棚腿、底座组成，顶梁上焊接两根长度为2.5 m支撑钢梁（9#），支撑钢梁成“八”字型布置，整个顶梁成“π”型，见图1。

（2）第一架钢棚架设在距冒顶区域2.0 m处，在架设钢棚前首先在棚腿底板位置进行起底预埋棚腿底座，起底规格为宽×深=0.3 m×0.2 m，起底后将棚腿底座放入基础坑内采用地锚进行固定并进行浇筑，棚腿底座主要由规格为长×宽×厚=0.25 m×0.25 m×0.02 m钢板制成。

（3）底座安装后开始安装钢棚棚腿，底座与棚腿之间采用连接螺母进行固定，为确保棚腿安装稳定牢固，在巷道两帮施工两根长度为0.5 m锚杆并采用卡缆将棚腿固定在巷帮上。

（4）在安装顶梁时顶梁两端与棚腿分别采用卡缆进行固定并预紧至设计预紧力，两根支撑钢梁与棚腿采用连接螺母进行固定。

（5）当第一架π型钢棚架设完成后开始架设第二架钢棚，以此类推直至过冒顶区域2.0 m后停止架设钢棚，钢棚间距为1.0 m，2301巷冒顶区域处共计架设8架π型钢棚。

（6）所有钢棚架设完成后为确保相邻两架钢棚间起到联锁保护作用，相邻两架钢棚分别采用一组连接杆进行连接固定，且相邻两组连接杆成交错式布置，同时在钢棚与顶板间隙处填充水泥背板，确保钢棚与顶板接触严实，见图1。

4 结语

实践证明，同煤集团塔山煤矿对2301巷冒顶区域采取“人工假顶+注浆+架设π型钢棚”联合支护彻底解决了冒顶区域支护施工难度大、支护效果差、瓦斯易集聚等难题，采用施工人工假顶及注浆支护方法有效避免了二次冒顶事故发生，同时采用架设π型钢棚进一步提高了冒顶区域顶板稳定性，取得了显著的经济、安全效益，为采掘工作面冒顶区域维护提供了实践依据。

〔1〕曾保亭.注浆加固技术在过断层掘进冒顶处理中的应用[J].煤炭工程，2011（3）：76-78.

〔2〕王宇飞.青磁窑煤矿顶板高冒区的支护设计与应用[J].陕西煤炭，2016（3）：37-39.

〔3〕刘应忠.钢棚支护在大断面巷道顶板破碎区域中应用实践[J].山东煤炭科技，2013（6）：12-13.

〔4〕张志文.人工假顶在过断层破碎带中应用分析[J].能源技术与管理，2014（3）：143-144.

〔5〕张 皓.掘进巷道顶板冒顶区域支护技术研究[J].煤矿现代化，2013（4）：98-99.