浅谈急倾斜三软条件下煤巷掘进防高帮跨冒研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅谈急倾斜三软条件下煤巷掘进防高帮跨冒研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】李子垭南二井开采急倾斜松软突出煤层，在掘进回采巷道过程中，高帮松软煤层在爆破时易垮落形成空洞，生产影响较大，作业速度较慢，对矿井采掘接替带来一定的阻碍，而且严重威胁职工生命安全。目前国内尚未发现有与南二井相似条件的，急倾斜“三软”突出煤层掘进时松软煤层垮冒及其防治的相关报道，因此南二井在处理高帮松软垮冒、巷道成型等问题上，无成功经验可借鉴。本文通过探索研究，实施超前加固、超前支护、减少爆破影响等方法后，有效防止了急倾斜松软条件下高帮跨冒，对类似条件下的矿井生产能力、采掘布置、安全生产状况、生产效益等都有很大的促进作用。

【关键词】急倾斜；三软；突出煤层；防跨冒

0.引言

急倾斜煤层在我国（主要分布在四川、贵州等）储量大、分布广，而在急倾斜松软突出煤层条件下煤巷掘进中防高帮跨冒是一大难题。李子垭煤矿南二井3102工作面回采巷道掘进正属于此类条件，若采用传统方法掘进，存在较多不足，循环进尺低、工人劳动强度大、高帮易跨冒、安全威胁多等。为解决掘进过程中高帮易跨冒提高生存效率这一难题，南二井以“理论研究”为基础、“工程实践”为重点进行了复杂条件下急倾斜煤层松软条件下防高帮跨冒技术研究，有效防止了高帮跨冒，提高了掘进效率。

1.工作面概况

3102南工作面运输巷位于李子垭煤矿南井田背斜东翼，走向长约2000m，煤层平均厚度2.45m，煤层倾角48°，煤层结构松软，普氏系数f

3102南工作面运输巷巷道断面为异形，设计断面巷道全宽为4.3m，全高为3.8m，掘进断面积约为12.4，采用炮掘方式掘进，支护采取金属支架、锚杆、锚网等联合支护。

2.高帮跨冒原因分析

2.1高帮煤层受力分析

南二井急煤层为急倾斜煤层，其自重力及上方顶板压力均分为法向与切向两个方向的力，其中法向为等于G×cosa，切向分力等于G×sina，当煤层倾角α等于45°时，均等于0.707G。其受力状况如图2所示。

以倾斜煤层巷道高帮最边缘未支护煤层作为研究对象，其静止时，三向受力达到平衡状态，自重力G作为内力，其方向铅直向下，可分为沿煤层倾斜G×sina与垂直煤层倾斜G×cosa两个方向的力；顶板对煤层的压力FZ1加上G×cosa之和与底板的支撑力FZ2达到平衡，水平两侧的挤压力FX1与FX2相互达到平衡，沿煤层倾斜的一组力为煤层沿倾斜的自重力及上侧煤体向下的推力，其下方没有力与之平衡，只有两侧煤体及顶底板的摩擦力f1～4与之平衡。

图1 急倾斜煤层岩体力学示意图

图2 高帮煤体A受力断面、平面、立体示意图

分析受力图，促使高帮煤体垮落的力主要有煤层的自重为沿煤层倾斜向向下的分力，即G×sinα；其上侧煤层的推力Fy。而确保煤层稳定的力主要为煤体四周受到的摩擦力f1～4，而f与煤体四周受至的正压力N成正比，即f=μN，也就是说，顶底板压力、两侧挤压力大，则煤层越稳定。因此煤层是否稳定，取决于（G×sinα+Fy）-f1～4的性质，大于零则高帮煤体发生垮落，等于零则保持平衡。

2.2影响高帮煤层稳定性的因素

在掘进过程中，急倾斜煤层巷道高帮煤体受到巷道支护种等因素的影响，维护着其稳定，但也受到较多的因素的影响，导致其垮冒，主要有：煤体自身的稳定性，包括煤体的硬度、结构等，硬度越低越易垮冒，同时煤层内的裂隙、滑动层面等对煤层的稳定性影响极大；煤体内瓦斯含量，含量越大，向外的张力越大，煤层也越软，也就越易垮冒；采动影响，特别是爆破震动对煤层的稳定性影响最大，是高帮煤层大量垮冒、突出的主要原因。

图3 爆破对高帮煤层稳定性的影响

图4 纵向爆轰波对高帮煤层拉伸作用示意图

爆破对煤层稳定性的影响主要有两个方面，一个是爆破的强冲击造成煤体破坏，内部产生裂隙，破坏了煤体的完整性，二是爆破产生的爆轰波沿煤层顶板向上传播，使顶底板产生微量的法向位移，使顶板对煤体的压力瞬间消失，三是爆破还产生纵向的爆轰波，对煤体产生沿纵的变化的拉压力，同时，每次爆破均采用不同延时的几段雷管起爆破，产生的爆轰波分轮次对高帮煤体产生综合作用。当煤体松软、瓦斯含量大或者爆破强度较大时，就会发生高帮煤层大垮冒。

2.3 3102南工作面运输巷跨冒规律

根据3102南工作面运输巷收集的煤巷掘进垮冒资料分析，发现垮冒主要有以下规律，一是发生在掘进爆破作业时，其它作业期间也有较少的垮冒，但其量较小，而且是在煤层十分松软的情况下，甚至在无作业期间也自动垮落；二是垮落时煤体较松软，或煤体内生裂隙比较发育、层理面较多；三是多发生在瓦斯含量较大的地段，同时也附带有煤层结构异常，这种情况下，极容易造成煤与瓦斯突出引起跨冒；四是垮冒多向掘进工作面前上方倾斜，一般为45°。

3.防高帮跨冒方法

经过长期摸索和验证，3102南工作面运输巷主要从松软煤体超前加固支护和减少爆破影响来实现防高帮跨冒。

3.1松软煤体超前加固

3.1.1安装前探挑梁

在掘进碛头向前方煤体安装超前挑梁是加强前方高帮煤体的基本措施之一，主要是沿煤巷掘进工作面高帮轮廓线施工一排（4～5个）空心孔，在其中安装白铁管、钢丝绳或其它硬质管件，加强对上方煤体的支撑。

挑梁长度为2～4m，以略高于高帮轮廓线的坡度施工，孔间距为200～300mm，孔径比管子大，一般为38mm，选用？15m白铁管作为挑梁。

图5 前探梁眼孔布置断面、平面图

①挑梁加工。

挑梁一般采用？15mm白铁管，长2m/根，两节间采用螺纹连接。

②眼孔施工及挑梁安装。

当前一根挑梁的超前量结束时，及时在高帮施工安装孔，保持前后两排挑梁相互衔接。钻孔角度要尽量平，略大于高帮轮廓线，以保证护帮效果。打眼采用YT-2锤，？38mm钻头和5m长空心钎打眼，打时，风锤要尽量靠拢高帮，高度与孔口相当，打眼深度要与挑梁的长度匹配，略比挑梁长即可，不能过长或过短；眼孔间距要排列均匀，约200～300mm，孔打好后，要将孔的煤矸颗粒冲洗干净，确保安装顺利。

③前探挑梁防垮冒效果。

使用前探挑梁，在煤层较为松软或一般松软时效果较好，基本上能有效防止高帮跨冒。该方法主要受人工因素影响较大，因打孔条件差，打孔质量不高，主要是孔间距不够均匀，相差较大，最多的间距达到0.5m，最小处只有0.1m，同时，钻孔没有排在一条线上，孔间的间隙加大，挑梁护孔的效果不够理想，特别是在煤层十分松软的情况下，护帮的作用较差。

3.1.2超前掘巷支护

超前掘巷支护是防止高帮垮冒的有效方法，能够完全避免高帮松软煤层在掘进爆破时垮冒。主要作法是在掘进碛头前方，巷道轮廓线上方预先挖掘一部松软煤层，并沿巷道轮廓线上方打一排木支柱，并用笆片、排柴背好松软煤层，然后再打眼爆破，进行一个正规循环。

超前掘进支护主要是掘进高帮松软煤层，高度约为1.2m，每次掘进约一架料位置，约1m，边掘进边用笆片、排柴和木支柱进行支护，重点是护好帮，要求笆片要背严实上侧煤壁，支柱必须打紧打实，严禁松动，支柱间距约0.3m，长度根据所掘软煤层厚度确定。进班后，若工作面煤体十分松散，极易垮冒，采用其它几种防垮冒措施都不能很好地防止高帮煤层在爆破时发生垮，则首先在碛头前方沿高帮轮廓线松软煤体内掘进小断巷道，并从现已架金属支架上方开始架设木支柱，用笆片背帮，防止垮冒。

超前掘进支护措施在爆破前即将高帮煤体进行了支护，形成了一个比较稳定的下边缘，爆破产生的冲击波不会对高帮煤体产生破坏，未发生高帮垮冒。但该方法也存在不足，一是工程量较大，需要手工作业，作业较困难，难度较大，掘进一次约需要约2h，对巷道掘进影响较大；二是掘进作业是在碛头前方煤体内，其顶板没有得到及时支护，且作业空间狭小，高帮煤体松软，易垮冒，作业安全可靠性较差；三是巷道向前掘进后，架设的超前支护会因底板的煤层破碎而失效倾斜，造成上侧松软煤体随之垮冒下移，增加高帮松动范围，可能造成巷道高帮轮廓线附近产生顶板台阶正下沉，不利于回采；因此，该主要是在高帮煤层十分松软条件下采用。

3.2爆破隔离

爆破隔离是减少爆破产生的爆轰波对高帮松散煤体破坏的重要措施，维持煤体的完整性和稳定性。主要采用两种措施，一种是加大高帮侧炮眼距高帮轮廓线的距离，二是沿高帮轮廓线布置一排炮眼不装药。

掘进作业时，根据煤层硬度、煤体裂隙发育情况、煤层结构等因素，初步确定爆破震动是否会发生高帮垮冒，发生垮冒的可能性来具体调整炮眼布置方式。布置炮眼时，高帮侧的炮眼要适当远离高帮，正常情况下炮眼开口距轮廓线约200mm，而在煤层松软时则加大至600mm以上，主要目的是缓冲爆破波的冲击，减少对高帮煤体的破坏；在掘进过程中，也采用施工空心炮眼作为爆破隔离的措施，该措施是在煤层条件相对较好的情况下采种的，掘进工作面打眼时，沿高帮轮廓线在松软煤体内布置5～6个空心炮眼，直径与爆破炮眼相同，深比爆破炮眼深度大0.4m以上，空心炮眼间距约200mm，距爆破炮眼300mm以上，空心炮眼施工好后，需要采用炮泥封孔后才能爆破。

4.结论

在急倾斜松软条件下煤巷掘进，采用松软煤体超前加固或超前支护配合爆破隔离能有效防止高帮跨冒。相比其它防高帮跨冒成本较低且施工简单，具有较强实用性和推广性。■