巷道顶板事故预防及断面优化探讨

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摘 要：本文分析了掘进巷道断面形式的影响因素，阐述了地质预报和井下实际的地质构造对煤矿巷道掘进中断面优化的作用；提出适合特殊地质条件下，掘进巷道合理断面形式、断面设计参数及正确的井巷支护；从而可以有效的控制巷道围岩变形，预防煤矿巷道掘进中的冒顶事故。

关键词：巷道断面；冒顶；断面优化；巷道支护

中图分类号：TD322+.1 文献标识码：A

1 概述

顶板事故是煤矿生产的主要灾害之一，是指在地下采煤过程中，顶板意外冒落造成作业人员伤亡、设备损坏、生产终止的事故。煤矿顶板事故主要受顶板岩性、巷道断面形状和参数确定、支护形式等因素控制。在实际煤矿巷道断面设计、施工过程中，支护方式的选择及巷道断面形状的选择是重点考虑的问题，而对支护参数的确定考虑不足；然而，支护参数对巷道围岩稳定性有较大的影响，同一地质条件下，同一巷道断面形状，支护参数对矿山压力显现影响较大，从而又决定了巷道支护方式。本文从巷道断面形状、断面参数优化的角度研究适合特殊地质条件下断面形式、断面设计参数与支护方式，从而达到预防煤矿掘进巷道顶板事故的目的。

2 掘进巷道顶板事故

东荣三矿井田范围地质构造复杂，褶曲构造发育，薄煤层和复合软顶煤层多，占矿井总量的60%，九十年代进入三水平以来，随着开采深度的增大，煤层的赋存条件变得及其复杂；不仅煤层的倾角大，而且大块的优质煤田内褶曲、断层纵横交错，顶板破碎，矿压增大。

2009年11月，东荣三矿掘进施工中五采右四付巷，在施工至10#前20m时，顶板大面积来压，造成顶板20多米的冒顶事故，冒顶区域无作业人员，未造成人员伤害，否则后果不堪设想。

2.1 事故原因分析

巷道断面锚杆规格只有L=1.8m，L=1.6m的限制，间排拒1.0m×0.8m，依据支护经验和对照理论性柱状图的设计支护形式，巷道断面布置，见图1，图2。

当施工至C#点时，巷道刚过断层，并且岩石泥化淋水加大，虽然当时已对其所重视，但只对锚杆间距的加密，间距缩小一半，而当时岩石的产状，厚度已经有所变化，稳定的岩层已变成不稳定岩层，锚杆固定的岩层已经不稳定，锚杆所具有主动加固岩层之间的力，由于力的相互作用反而加大了不稳定岩层的离层力，加上顶板大面积来压，而造成大面积冒顶。

2.2 事故教训

在巷道掘进过程中，理论性的柱状图仅供参考，在井下实际施工中，每隔50m或者100m或者过破碎带、断层时应针对这一段单独分析，分析其围岩稳定性，利用打锚索来判断岩层的产状、实际厚度来指定相应的巷道断面支护规格，优化巷道断面布置参数，预防巷道掘进中的顶板下沉量和顶板的冒顶。

3 影响掘进巷道稳定的因素

一般情况下，根据煤体强度及层(节)理发育程度、支护方式综合确定合理的煤巷断面形状，然而，在地应力特点突出的条件下，出现断层，巷道围岩破碎，顶板离层松动，采用合理的巷道断面形状及正确的支护参数,可以极大改善巷道围岩受力和变形状态。为保持顶板的稳定性，鉴于煤层的层状沉积特征，大多数煤巷在不破顶的前提下采用平顶矩形巷道断面，然而，在特殊的地应力环境下，围岩的应力和变形状态取决于地应力主要方向和巷道断面参数，只有两者耦合匹配,才能取得系统稳定性的最佳效果。

4 巷道断面优化

在巷道断面设计时，应考虑井巷的断面形式与支护参数，应根据井巷工程的地质条件、水文条件、围岩性质及井巷的用途，在特殊的地质条件下应根据其矿山压力显现规律、围岩稳定性，确定适合特定地质条件的、经济的巷道断面形状及支护参数。

方案一、方案二如图3、图4所示。

以东山煤矿皮带道施工为例分析其巷道断面布置参数。

在拱形支护中，常见的支护形式是锚杆和锚索的联合支护，形成组合拱。其主要作用是：

为加固拱作用：提高岩体的抗剪强度，阻止上部围岩的松动和变形拱的加固。

悬吊作用：将要冒落的危岩和软弱岩层用组合拱的作用力来承担岩石的重量。

防止冒顶主要结构：

1）岩石的倾向与巷道走向的夹角较小，L=1.8m.的锚杆可以打到稳定岩层中。

如果顶板不破碎时，可以设计成方案一，将锚杆的锚入方向与巷道拱形边缘垂直。然而顶板破碎时方案一锚杆锚入方案就显得不合理，应采用方案二布置参数，由于岩层倾角小，顶板破碎时，在相同作用力下，方案一锚杆对岩体起到的悬吊作用就小于方案二锚入方式。所以，锚杆的锚入方向应该根据岩层的倾向变化而改变。

2）岩层倾向与巷道走向夹角非常大时，以至于一侧的锚杆锚入不了稳定岩层的。组合拱已经失去了原有的平衡，不能起到加固拱和悬吊的作用，由于一边起加固不稳定岩层的作用，而另一边起到加速岩层分离的作用，从而失去了锚杆的意义，所以在设计锚杆支护形式的同时，不应该只注意柱状图中岩层的厚度，还应该考虑到岩层的倾角。假如遇到图中所显示情况，应该在同一条巷道中的两侧，选择长度不同的锚杆或者用短锚索代替，以达到实际应用中的效果。

结论

预防巷道冒顶的重要方法是地质预报和实际岩层情况的紧密的合理应用加上合理的巷道支护才能达到较好的效果。特别煤岩比较松软，在施工中遇到地质破碎、断层，就更有可能造成大面积垮落，通过对地质预报分析其围岩稳定性判断，利用打锚索来判断岩层的产状、实际厚度来确定相应的巷道断面形式及合适的顶板支护，优化巷道断面布置参数，对煤矿安全生产，预防巷道掘进中顶板的冒顶事故具有重要应用价值。

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