全煤巷道掘进漏顶分析及治理技术研究

赵志勇

（汾西矿业柳湾煤矿， 山西 孝义 032303）

0 引言

厚煤层开采对提升矿井煤炭产量以及经济效益具有显著促进意义，厚煤层开采回采巷道多为全煤巷道，受煤体自身承载能力差、松软等影响，容易出现顶板冒落、围岩变形量大等问题[1-2]。特别是巷道在掘进期间遇断层、褶曲等构造时，在构造影响下会降低原岩稳定性、造成局部位置应力集中，巷道掘进时往往伴随顶板破碎、下沉甚至局部冒落等问题[3-5]。山西某矿3203 运输巷为全煤巷道，巷道在掘进过断层影响带期间出现顶板冒落问题，给巷道掘进效率及掘进安全带来较大制约。针对3203 运输巷掘进时顶板冒落机理进行分析，并根据现场情况提出有效的围岩控制措施，确保巷道得以安全高效掘进。

1 3203 运输巷概况

1.1 地质概况

3203 运输巷位于3 盘区西侧，巷道北侧为实体煤、南侧为采空区，沿3 号层底板掘进，长度2 520 m，采用综掘方式掘进。3 号煤层为矿井主采煤层，煤厚10.23～12.48 m，中间夹杂有3～8 层泥岩、砂岩夹矸，夹矸层累积厚0.78 m，具体3 号煤顶底板岩性见表1。

表1 3 号煤层顶底板岩性

1.2 巷道支护参数

3203 运输巷断面为矩形（宽5 500 mm、高4 000 mm），顶板及巷帮用锚网索支护方式，底板用150 mm混凝土硬化，围岩支护断面如图1 所示。顶板每排6根Φ20 mm×2 000 mm 锚杆，间排距1 000 mm、1 200 mm，并用W 钢带（宽250 mm、长5200 mm）连接；顶板锚索（Φ17.8 mm×5 000 mm）间排距2 000 mm、3 000 mm，一排布置3 根，锚索配合钢托盘（12 mm×300 mm×300 mm）护表。巷帮用锚杆+金属网护表，巷帮锚杆布置4 排规格Φ20 mm×2 000 mm 锚杆，间排距为1 000 mm、1 200 mm。

图1 3203 运输巷支护断面图（单位：mm）

2 巷道掘进冒顶分析

2.1 巷道掘进冒顶现状

3203 运输巷采用综掘掘进工艺，掘进进尺平均为350 m/月，现掘进至850 m 位置。巷道在掘进至835 m 位置时揭露有F32 断层（落差H=1.9 m，161°∠63°），F32 断层与3203 运输巷掘进方向间有67°夹角，断层影响巷道掘进长度为53 m。3203 运输巷掘进至838 m 位置时顶板出现第一次漏顶，漏顶宽度、高度分别为2 300 mm、1 200 mm，随后通过密集锚索对漏顶区进行补强加固；巷道掘进至849 m 处出现第二次漏顶，宽度、高度分别为3 700 mm、4 000 mm，漏顶区为不规则半圆形，冒落区域内煤岩体稳定性较差。

2.2 冒顶原因分析

1）煤层赋存条件差。3203 运输巷为全煤巷道，3号煤层内部有多层夹矸，取样测试发现煤层单轴抗压强度在15 MPa 以下，本身承载能力及强度较低。3203运输巷断面为矩形，在掘进期间顶板及巷帮交汇的肩角位置容易失稳，肩角位置煤柱破碎、垮落导致巷帮变形量增大，降低顶板稳定性。

2）地质构造影响。在F32 断层影响范围内煤体稳定性遭到一定破坏，断层影响区内存在一定程度构造应力集中，掘进时应力释放（包括地应力、构造应力等），会加剧巷道围岩变形。

3）掘进工艺。3203 运输巷沿着3 号煤层底板掘进，巷道顶板为厚度在7.5 m 的顶煤，巷道掘进后虽然采用锚杆索支护顶板，但是顶煤在覆岩重力、构造应力等因素作用下仍出现一定程度的破碎、断裂现象，导致漏顶情况发生。

4）现有锚杆索支护强度较低。原支护顶板通过锚杆索进行支护，在地质条件正常区域内可保持顶板稳定；但是巷道掘进至断层影响区时，在顶板破碎、构造应力等因素影响下，顶煤稳定性变差，导致部分位置围岩松动圈范围超过锚杆、锚索锚固高度，从而使得部分位置锚杆索支护体系失效，导致漏顶情况发生。

3 漏顶控制技术

为实现掘进巷道漏顶区有效控制，根据现场情况在3203 运输巷漏顶区采用“注浆加固+人工假顶+密集钢棚”方式进行支护[6-9]。

3.1 注浆加固

通过注浆方式对3203 运输巷漏顶区裂隙进行充填，提高冒顶区域顶板稳定性及承载能力，避免二次漏顶发生。现场采用的注浆泵型号为2ZBQS7/12 型，额定工作压力12 MPa、流量7 L/min、供气压力0.5 MPa；注浆材料选用高分子材料，成分为聚氨酯及固化剂，按照1∶1 配比均匀混合。

在距离3203 运输巷漏顶区内及漏顶区外10 m范围内向顶板施工注浆钻孔，漏顶区内钻孔孔深均为4 m、间距为2 m；漏顶区外10 m 范围内钻孔孔深3 m、间距2 m。注浆钻孔施工及注浆由漏顶区外向漏顶区逐渐进行，注浆钻孔单孔高分子材料注入量控制在45 kg 以上，注浆时间在15 min 以上、注浆压力为1.5 MPa。

3.2 构建人工假顶

对3203 运输巷漏顶区完成注浆加固后，构建人工假顶以及组合锚索。由于运输巷漏顶区范围较大，为提高漏顶区构建的人工假顶稳定性，首先在漏顶区施工锚索吊棚，锚索吊棚（长4 200 mm）用2 根Φ17.8 mm×4.0 m 长锚索悬吊，吊棚与巷道掘进方向垂直；邻近的2 排吊棚间距为1 500 mm，吊棚与巷道顶板间留设100 mm 间隙。吊棚施工完成后在吊棚上铺设风筒布、钢丝钢筋网以及道木等，道木布置呈“井”字型；吊棚上铺设的道木应与冒顶区顶板接触密实。

在构建完成人工假顶后采用注浆泵向假顶与冒顶区间隙注浆，封堵冒顶区裂隙避免冒落区煤体自燃并避免瓦斯集聚。采用组合锚索对假顶施工区域附近10 m 范围进行加固，组合锚索结构包括有3 根规格Φ21.8 mm×10.3 m 恒阻锚索、一块长宽均为0.5 m 钢板组成，组成锚索按照2 m 间距、3 m 排距布置，每排施工2 个组合锚索，具体布置如图2 所示。

图2 漏顶区支护示意图（单位：mm）

3.3 密集钢棚加固

对3203 运输巷漏顶区完成注浆、假顶施工后，为避免顶板顶板在采掘扰动下出现下沉、垮落等问题，对顶板漏顶区采用密集钢棚进行加固。密集钢棚顶梁为14 号槽钢、长度5 200 mm，棚腿由2 根长度均为2.9 m 的U29 型钢，密集钢棚棚距为1.0 m。

4 结论

1）对3203 运输巷掘进时漏顶原因进行分析，发现断层影响导致顶板破碎、原有支护强度较低及掘进扰动等多因素综合作用是导致巷道漏顶的主要原因。根据现场情况，提出综合使用“注浆加固+人工假顶+密集钢棚”方式对漏顶区围岩进行控制。

2）对漏顶区及附近煤体进行注浆加固后，顶煤单轴抗压强度由不足15 MPa 提升至38 MPa，大幅提升了顶煤稳定性及强度；同时注浆浆液充填顶煤裂隙，可有效控制顶煤松动圈扩展及顶煤裂隙延伸范围。

3）采用人工假顶、密集钢棚对漏顶区域进行加固后，增强支护区域内顶板稳定性，避免后续巷道在采动或者构造应力释放等因素影响下出现变形问题。现场应用后，漏顶区域内围岩稳定，顶板基本不出现下沉，现场取得较好治理效果。