煤巷顶板冒落事故分析及其对策

马国伟

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033600）

沿煤掘巷快速成巷技术被广泛应用到煤矿掘进行业中，巷道支护稳定性问题制约着沿煤快速成巷技术的发展。本文结合13202皮带巷一起冒顶事故案例，深入分析研究了煤巷顶板冒落机理及其影响因素，提出了补强支护方案,为本矿类似巷道支护设计提供了理论依据。

1 13202皮带巷地质条件及冒落段概况

13202皮带巷沿煤层顶板掘进，煤层为黑色，块状条带状均有，半暗淡型，煤层结构复杂，含1～2层泥岩夹矸，其中煤层上层夹矸较稳定，厚0.10～0.30m，下层夹矸厚0.10～0.90m。直接顶为泥岩,厚度0～3.26m,平均厚度2.65m，灰黑色，块状构造，泥质结构。基本顶为中粗粒砂岩，厚度0～15.72m，平均厚度7.53m，灰白色，粒状结构。底板有一层平均厚度为0.90m的泥岩和数层较厚的中细粒砂岩，粒状结构。

13202皮带巷所在煤层平均厚度为3.76m，倾角9.7°，巷道断面为矩形，巷道宽度5.0m，高3.6m。

13202皮带巷封闭期间在720～730m、320～960m段发生了顶板冒落事故，顶板冒落岩石几乎充满巷道，顶板冒高达到2～2.3m，岩块最大约1.0×1.0×0.5m，冒落区大量的锚杆发生了破断，锚索大部分仍悬挂在顶板之上，部分锚索发生了破断。

2 冒顶机理分析

如图1及图2所示，巷道正上方被锚梁加固，不会出现裂缝。虚支撑点A处的裂缝向下张开，伴随着邻近工作面回采采动、顶板水和风化等作用，其挤压作用和摩擦力越来越小,所有上覆岩体会沿巷道边沿整体塌垮。又因这一过程是在矿压作用下逐步形成的，因此一般发生在掘进头后部已锚支区。

3 影响顶板冒落的因素

3.1 动压影响

13202皮带巷临近13203工作面，两者间净煤柱宽度20m，13203工作面正在回采，已回采3700m左右，13203工作面在回采过程中，采空区残余支承压力在煤柱侧集中，13202工作面皮带巷在受到13203工作面回采期间的采动影响以及采空区侧支承压力的影响矿压显现明显。

3.2 直接顶岩层稳定性差

13202皮带巷大部分顶板为灰白色细～粗粒砂岩，但局部砂岩下有一层灰色泥岩，厚度约1～2.0m，很不稳定，容易破碎冒落。通过观察冒落区现场，冒落下来的矸石为泥岩，可以判定锚杆锚固区发生了冒落，当深部锚索无有效支护时，导致了更大范围内顶板的冒落。

图1 顶、帮支护及冒顶原理图

图2 巷道冒顶示意图

3.3 巷道顶板支护强度弱

13202皮带巷作为强动压煤巷，虽然大部分顶板为砂岩，埋深浅，但巷道原支护设计强度偏弱，锚索间距过大，巷道顶板中部2.7×2.0m范围无锚索，导致巷道顶板端部及中部无强力有效的支护强度。结合现场观测：顶板冒落岩层顺锚索发生脱落，而锚索仍悬挂在顶板上，说明锚索的作用没有充分得到发挥。此外，顶板锚杆初期预紧力低，托板传力效果差，不能够有效挤压围岩，导致岩层逐层脱落。

3.4 巷道帮部支护弱

13202皮带巷两帮采用了相同的支护材料进行支护，巷道受到邻近回采工作面动压影响时，会发生严重片帮、鼓帮现象，两帮移近量达到500～700mm，伴随着帮部位移，巷道顶板跨度逐渐加大，大大降低了顶板稳定性。

4 巷道补强支护设计

对巷道顶板进行窥视，孔深10m，间距20～30m布置一组，如图3所示，分析巷道顶板内部是否存在离层。根据窥视结果，巷道直接顶为泥岩且无离层，基本顶为中粗粒砂岩。基于自热平衡拱原理，设计巷道补强支护方案为：巷道中部补打3根锚索，规格Φ21.6×5500mm，锚索用钢带串联，间距1650mm，排距2.0m；巷道两帮和顶板上破坏的锚杆必须重新补打，除工作面侧煤帮外，其余锚杆均采用螺纹钢锚杆，规格Φ22×2600mm，配合W钢护板，表1为具体补强参数，图4为巷道补强支护方案图。

图3 钻孔窥视探测

表1 支护方案的具体参数

结合相关矿山压力理论，建立相似模拟物理模型并利用FLAC3D数值软件进行一系列的模拟与验证。通过比较分析所成巷道在采用原有支护方案以及采用加强支护方案不同条件下，巷道围岩应力分布规律以及顶底板移进量的大小，以分析加强支护方案的合理性，本文对FLAC3D数值相似模拟的结

果进行了切片处理，模拟的结果如下。巷道围岩应力分布规律：

图5 原有方案巷道周边应力分布图

图6 加强方案巷道周边应力分布图

通过图5、图6中的描述，相较于原有巷道支护方案，采用新的设计加固方案，巷道围压逐渐增加，锚杆（索）支护起到了很好的效果，使巷道围岩重新维持了三维应力状态，三维应力状态可以有效保障围岩的稳定性。综合考虑，加固方案优于原有方案。

巷道围岩变形规律：

图7 原有方案巷道围岩变形图

图8 加强方案巷道围岩变形图

通过图7、图8描述，原有方案留巷稳定后，回采帮与非回采帮的变形量分别为30mm和100mm，顶板下沉量91mm，而底板臌起量是40mm。采取加固方案的支护形式后，留巷稳定时回采帮与非回采帮的变形量为32mm和43mm，顶板下沉量和底板臌起量分别为25mm和10mm。可以看出加固方案是优于原有方案的。

5 结论

（1）通过分析巷道冒顶机理，得出巷道顶板冒落失稳危险点即当巷道上覆岩层失稳后，岩体沿巷道顶板边缘整体塌跨。

（2）13202皮带巷为强烈动压巷道，直接顶为泥岩，稳定性较差。通过缩短锚索间距，采用“高预紧力、高强度锚杆（索）、网+钢带”支护方案，可有效预防冒顶事故的发生。

（3）从原有方案到新的加固方案，不管是应力集中还是应力峰值的位置都在向巷道围岩深部转移，应力集中系数逐渐减小，加固方案的改变能有效地减少和控制巷道周围破碎区和巷道表面位移，且对围岩的稳定有重大的影响。