复合顶板煤巷安全高效施工技术

复合顶板煤巷安全高效施工技术

王贺

淮河能源集团煤业公司朱集东煤矿，安徽淮南 232001

摘要：对复合顶板工作面掘进安全高效开采技术的研究，可以大大降低掘进工作面支护难度及支护成本，提高掘进速度，减少复合顶板工作面开采带来的顶板事故；因此，该技术的研究，不仅提高了工作面的生产效率，解决了复合顶板煤层开采存在的安全问题意义重大。

关键词：复合顶板；煤巷；安全高效；施工

对于淮南矿区，其煤炭资源丰富，但采矿地质条件复杂，复合顶板下煤层的开采问题较为严重，也是一些矿井形成高产高效工作面的制约因素。随着煤炭开采机械化水平的提高，矿井生产能力不断提高，原有复合顶板煤层开采技术已不能满足矿井高产高效的需要，制约着矿井安全开采的发展。

1 复合顶板的定义

复合顶板亦称为离层型顶板，从本质上讲，是一中在岩性和岩石的力学性等方面特殊组合的直接顶。即煤层上部直接顶是总厚为0.5～3m左右易与上部岩层离层的岩层，而把其上部岩层称为硬岩层。下部软岩层可能是一个整层，也可能是几个分层组成的分层组。软岩层与硬岩层只是一个形象的说法，实际上是指采动后，下部岩层因岩石强度低，或因分层薄，其挠度比上部岩层大，向下弯曲得多，而上下部岩层间又没有多大的粘接力，因此，下部岩层与上部岩层形成了离层。近几年来，发生的冒顶事故，复合顶板冒顶事故占有相当比重。
  典型的复合顶板一般具有如下特征：煤层顶板由下“软”上“硬”不同岩性的岩层所组成；“软”、“硬”岩层间夹有煤线或薄层软弱岩层；下部软岩层的厚度一般不小于0.5m，不大于3m。此外，应用倾斜分层下行垮落开采厚煤层时，其再生顶板内下部软岩层厚度0.5～3m，上部较硬岩层或咬合柱的断裂岩块，上下部之间又没有多大粘接力的，则该分层也应视为再生的复合顶板。

2 复合顶板的危害

复合顶板煤层属于典型的不稳定煤层，在开采过程中制约其安全高效生产的主要因素是控制复合顶板的稳定。复合顶板一直是影响煤炭企业提高开采效率、生产能力、安全状况等的主要因素之一，对于复杂地质条件的矿井，表现的更加突出。大量的统计数据分析表明，复合顶板煤层在煤矿事故中，顶板事故占有很大的比例，其中复合顶板事故最为严重，并且多数以复合顶板推垮型冒顶为主。根据多数矿井的试验研究，许多学者一致认为复合顶板推垮型冒顶有以下特点：（1）垮前工作面一般没有明显的压力显现和预兆；（2）垮落时间短，速度快，面积大，来势猛；（3）垮落时支架无折损，并都沿倾斜方向倾倒；（4）冒顶后上位硬岩层大面积悬空，工作面仍无明显压力；（5）诱发推垮性冒顶事故的工序是顶板支护的工序，如工作面改柱、回柱等。

3 复合顶板掘进技术及支护方式

3.1复合顶板掘进技术

我国煤巷高效掘进工艺及设备的发展主要经历了三个过程：第一种是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到广泛应用，掘进机械多为悬臂式煤巷掘进机；第二种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，在我国神东、万利等矿区进行了推广应用，主要掘进机械为连续采煤机，它需要多巷掘进，交叉换位施工；第三种是掘锚机组掘锚一体化掘进，也在一些矿区进行了使用。对于5.0m以上的大采高工作面顺槽的掘进所采用的掘进设备在国外研究较少，在国内的使用基本进口于国外的，我国神华集团最早进行了引进使用。

3.2复合顶板支护方式

复合顶板的支护是复合顶板工作面开采需要解决的一个重要问题，对于复合顶板的支护，国内外已有较多的研究国内外学者对复合顶板条件煤巷支护方法进行了较多的研究，针对不同矿区的不同地质条件，复合顶板煤巷的支护方式有所不同，提出了主要以锚杆为基础，锚索或架棚加强的支护方式，并在多数矿区进行了试验，并取得了较好试验效果。

4 预掘复合顶大垂高巷道掘进及支护设计

4.1 预掘复合顶关键设备选型

巷道掘进必须要在确保安全生产的前提下，尽可能的提高掘进速度。随着综采技术的发展，矿井的生产能力逐年提高，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为矿井高效集约化生产的共性及关键性技术，掘进技术及其设备直接关系到矿井生产能力和安全，因此，对于预掘复合顶关键设备选型应遵循以下原则：

（1）预掘复合顶关键设备必须要适应和满足快速掘进的需要，综掘设备的协调性应保证工作面快速推进的需求，以推进速度的1.2倍为基数。

（2）选用的掘进机应该适应采矿地质条件的变化，尤其是煤层中含有少量夹矸时，优先选用半煤岩巷掘进机。

（3）设备应以尽量减少工人的劳动强度为选型原则。

（4）掘进机的支护系统与切割系统不能互相干涉，并且尽量保证选用的掘进机械实现一次成巷。

4.2 掘进方式选择

复合顶板煤层的开采不同于岩层顶板下煤层的开采，由于复合顶板为离层型顶板，在回采巷道掘进过程中，巷道顶板极易垮落，给巷道的支护造成一定的困难。因此，对于复合顶板煤层回采巷道的掘进分为一次成巷和分次成巷两种方式。一次成巷是把巷道施工中的掘进、临时支护、永久支护三个分部工程视为一个整体，在一定距离内，按设计及质量标准要求，互相配合，前后连贯的、最大限度的同时施工，一次做成巷道，不留收尾工程。分次成巷是把巷道的掘进和永久支护两个分部工程分两次完成，先把整条巷道掘出来，暂以临时支架维护，以后再拆除临时支架进行永久支护和水沟掘砌。

为了降低复合顶板煤层回采巷道掘进的支护难度，可以预先将复合顶板掘除，形成稳定的巷道顶板，整条巷道掘进采用一次成巷的方式。

4.3 掘进工艺设计

在我国，巷道掘进存在钻爆法和机掘法两种方式。与钻爆法相比，掘进机法掘进巷道具有速度快、成本低、安全性高及施工质量好等方面的优点。

回采巷道复合顶板掘进初期首先采用炮掘工艺进行开门，在掘进能满足机掘设备摆放空间后改用机掘，完成余下巷道的掘进工作。完成复核顶板巷道掘进后，撤出整套设备进行巷道卧底掘进。

开门炮掘巷道长度约为30~60m，根据断面设计要求，画出巷道轮廓线、中线和腰线，然后按光面爆破要求布置炮眼，炮眼掏槽方式采用斜眼契形掏槽。机掘时正常断面采用掘进机破岩。

4.4 掘进工艺流程

（1）掘进工艺流程

复合顶板掘进时期首先采用炮掘工艺对巷道进行开门，一段距离后换为综合机械化掘进

（2）机掘截割顺序

预掘复合顶煤层回采巷道掘进正常段采用综合机械化掘进工艺，掘进机截割遵循先煤后岩的顺序，从煤层底部进刀，再从左到右掘进，即从底部至顶部、从左帮至右帮的顺序。截割完毕后修正两帮成直线，逐渐达到设计要求尺寸。

（3）机掘段劳动组织

回采巷道正常段施工采用“三八”制作业方式，三班掘进支护并且维修，采用正规循环作业方式，每个循环进尺1.8m，每班完成4个正规循环。

5安全技术措施

（1）开门采用小循环施工，开门前提前打设锚索加强支护，开门5m内缩小排距为0.8m，开门解网时应先用长把工具对帮部进行卸压。

（2）在松软的煤、岩层或流砂性的地层中、地质破碎带、应力集中区的特殊地段施工时，必须编制专门安全技术措施，采取加强临时支护、按小循环进尺施工、加强永久支护等特殊措施。

（3）必须经常对掘进工作面后方所有巷道进行检查，根据顶板压力监测的显现情况，必要时采取加固支护措施，保证支护完好有效，巷道畅通无阻，发现不安全因素，必须修复合格后，方可进入迎头作业。

（4）当顶板突然来压、支护变形速度剧增时，必须立即停止作业，撤除所有受威胁人员，并向矿调度室及有关单位汇报，待隐患解除后，方可进入迎头作业。