第３０卷第９期２０１０年９月ＶＯＩ．３０Ｎ０．９山西煤炭ＳＨＡＮ×ＩＣＯＡＬ文章编号：１６７２—５０５０（２０１０）０９—００４７—０３复合顶板条件下煤巷综掘技术王敬卫１，孙炳兴２（１．淮南矿业集团公司张集煤矿，安徽淮南２１２３００；２．煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆伽０３７）摘要：张集煤矿在煤巷上山综掘施工中，为解决节理、裂隙发育的复合项板掉顶难题而提出的系列技术实践与创新，分析并验证了采用分部掘进、分次成巷（即先割顶部架顶粱，后割底部栽棚腿）的施工方法，成效显著，可为此类条件下煤巷综掘提供实践经验。关键词：复合顶板；棚网支护；综掘；分次成巷中图分类号：ＴＤ２６２．４＋２文献标识码：Ａ１煤矿概况张集煤矿为高瓦斯突出矿井，１２１４（１）工作面ｍ一一４３０顶距，采用棚距６００ｍｍ，最大控顶距９００ｍｍ“掘一架一”的施工方法。这样，不但影响掘进速度，而且为一倾斜长臂工作面，标高范围一６３０ｍ，工作面宽２４９．３ｍ，倾斜长２效果不是很好，仍有随掘随掉现象。后又采取打撞楔的超前支护，虽可解决掉顶问题，但是频繁打撞１７４ｍ～２１９７ｍ，两巷及工作面切眼沿ｌｌ一２煤层顶板掘进。１１—２煤层以块状为主，局部片状及粉末状；煤层结构复杂，含０～２层夹矸（以泥岩为主），煤层厚度２．３５ｍ～３．８９楔的施工方法，不但增加支护成本，而且严重影响掘进速度。３施工问题的分析３．１复合顶板掉落的力学分析复合顶板的力学状态极为复杂，分离岩块的散体在三维空间有六个自由度，即在各个方向力和力矩作用下发生运动或保持平衡的六面体【１】。假设六面体下侧有自由空间，则六面体就有沿倾斜向下的推力。当六面体有向下推的趋势时，岩层断裂面将产生阻止六面体下推的摩擦阻力；上侧断裂面也会由于岩层似断未断，而有阻止六面体下推的向上拉力；支护的迎山角也会对六面体下推有个阻力。当总阻力小于六面体向下的推力时，就会发生冒顶。对复合顶板的掘进工作面，掘进时破坏了顺槽的复合顶板，可能给六面体开创一个去路，既增加产生ｍ，倾角２０一９０，平均５。。１１—２煤层顶板是复合顶板，直接顶为泥岩，含ｌｌ一３煤线（约Ｏ．５ｍ），局部含粉砂岩，有较多植物化石碎片，部分段裂隙、节理发育明显，老顶为细中粒砂岩，煤层底板以泥岩为主。两顺槽支护设计为锚索网支护或“Ｕ”型棚网支护，以锚索网支护为主，当顶板不稳定时采用棚网支护。掘进中发现顶板多处节理、裂隙发育，主要采用棚网支护，“Ｕ”型棚网支护断面规格：净宽・净高＝５０００ｍｍ・３６３０ｍｍ，净断面积为１５．３２ｍ２。采用Ｓ１５０Ｊ综掘机掘进一次成巷。２施工中遇到的问题１２１４（１）工作面是复合型顶板，特别是在节理、裂隙发育段，施工中直接顶经常掉落；有时在综掘机割完顶煤１５ｍｉｎ～２０六面体的可能性，又减小已产生六面体下推时的阻力。当六面体周围出现一个自由空间，使六面体有了去路，而且六面体向去路方向又有一定的倾角时，在自重作用下六面体就有向去路方向的推力，从而使复合顶板出现掉渣冒顶现象。再者，受开挖扰动的影响，巷道围岩帮部产生的是拉应力，为应力降低区，说明此范围的岩层由ｍｉｎ后，刚暴露的顶板即有ｍ一１．５大块矸石掉落，一般掉落高度为１ｍ。由于大面积掉顶，造成巷道顶部出现大面积空洞，不但危及井下工人安全，增加煤巷支护难度；而且空洞容易造成瓦斯积聚，加大矿井瓦斯灾害隐患。为减少掉顶的发生，在掘进施工中尽量减小控收稿日期：２０１０一０６—２９作者简介：王敬卫（１９７８一），男，河南禹州人，大学本科，助理工程师，从事煤炭采掘技术研究及管理工作。４７万方数据山西煤炭ＳＨＡＮ×ＩＣＯＡＬ第３０卷第９期于开采扰动的作用，已经处于屈服破坏的状态，压应力集中区向深部转移。在巷道顶板处部分岩层的主应力表现为拉应力，顶板岩层中部呈现拉伸破坏趋势，顶板两角主要呈剪切破坏趋势１２Ｊ。巷道在掘进过程中，除产生瞬时的弹塑性变形外，随着时间的推移还会产生蠕变变形，也就是说复合顶板的破坏程度与其空顶时间成正比。３．２１２１４（１）掘进面复合顶板冒落分析根据复合顶板的力学分析、平衡条件、影响因素可知，导致张集煤矿１２１４（１）工作面顺槽掘进面复合顶板经常冒落的原因有：顶板节理、裂隙发育，加速综掘机割煤后顶板膨胀、变形、断裂、失稳、最后掉落这一过程；１２１４（１）工作面的顺槽净宽５ｍ，净高３．６４ｍ，顺槽巷道沿煤层倾向方向向上掘进，煤层倾角２。～９０，平均５０。掘进断面大、且有一定上山角度，使两帮及迎头煤体易片帮，容易导致复合顶板的失稳，而破碎的顶板在自身重力的作用下极易出现掉顶现象；在一次成巷一个掘进循环施工中，最短空顶时间３０ｍｉｎ～４０ｍｉｎ，空顶时间较长。对于不稳定的顶板，空顶时间越长，顶板在支护前就越容易膨胀、变形、断裂，最后掉落；综掘机在掘进割煤时，会给工作面附近的煤岩体以很强的扰动应力并产生强烈振动，增加了工作面迎头及附近两帮煤体片帮程度，加速工作面后方空顶区岩层膨胀变形、断裂，使直接顶与老顶的离层加快；最终加快直接顶失稳掉落。４解决问题的方法４．１新的施工方法通过以上分析看出，不进行超前支护时，要解决施工中的掉顶问题，必须在顶板掉落前做好支护，缩短顶板空顶时间。正常顶板情况下的施工工艺流程为：安全检查一切割并清煤一移前探梁＿架棚梁一背顶一载棚腿＿背顶＿载棚腿＿上卡缆’＋背帮。但是上述施工工艺流程在裂隙、节理发育的复合顶板条件下，却经常发生掉顶现象，因此需要改进流程、缩短空顶时间。在顶板掉落前支护好顶板，而分部掘进、分次支护的施工方法，即先割顶部架顶梁、而后割底部载棚腿，可实现提前支护，大大缩短复合顶板的空顶时间，该施工方法的工艺流程如万方数据下：安全检查＿切割上部并清煤＿移前探梁一架棚梁一背顶一＋上棚梁卡缆＿安全检查一切割下部并清煤－÷载棚腿＿上棚腿卡缆＿背帮。分部掘进、分次成巷架顶梁前掘进工作面示意图，见图１。圈１分次成雹掘进工作面示意图４．２分部掘进分次支护效果分析张集煤矿１２１４（１）工作面运输顺槽采用分部掘进、分次成巷的施工工艺，在节理裂隙广泛发育的复合顶板条件下，顺利掘进煤巷１０００ｍ以上，虽与一次成巷掘进程序有所增多，掘进速度也稍有降低，但很好地解决了复合顶板随掘随掉问题，对于安全生产起到至关重要作用。分部掘进、分次成巷在此种复合顶板条件下煤巷掘进取得成功，可从以下四个方面进行分析：第一，采用综掘机掘进两次成巷施工时，先割顶部煤后形成一个台阶（见图１），并及时对上部刚揭露的顶板及两侧巷帮进行支护，减小巷帮两角剪切破坏趋势，能有效减少割底煤时巷道两帮及上部迎头工作面煤体片帮的发生，防止了因片帮而影响顶板的稳定性，从而减少掉顶的发生。第二，采用两次成巷施工时，能有效的减少空顶时间。根据１２１４（１）工作面运输顺槽施工现场统计，综掘机掘进一次成巷作业时，割煤需要时间为２５ｍｉｎ一３０ｍｉｎ；而采用两次成巷施工时，割顶部煤需要时间１２ｍｉｎ。１５ｍｉｎ，可以减少空顶时间１０ｍｉｎ～１８ｍｉｎ。空顶时间越短就越容易避免掉顶，因此两次成巷可以减少掉顶的发生。第三，综掘机先割顶煤作业时间短，顶板岩层只发生弹塑性变形，还未处于屈服破坏状态，相对于综掘机一次成巷更容易避免由于割煤振动引起的掉顶。第四，两次成巷施工，可以减少伤人事故及事故隐患，并减弱事故破坏。割顶部煤后形成一个台阶，当顶板大块矸石掉落时先落到台阶上，从而避免伤人，即使出现事故，也由于台阶的缓冲可以减弱事故的破坏力度。再者，支护良好时，则无顶板空洞存在，可杜绝瓦斯积聚的空间，从而减少事故隐患。第３０卷第９期２０１０年９月Ｖ０１．３０Ｎｏ．９山西煤炭ＳＨＡＮ×ＩＣＯＡＬＳｅＤ．２０１０５结论张集煤矿１２１４（１）运输顺槽施工中，广泛采用新复合顶板条件下，采用综掘机分部掘进分次支护，即先割顶部煤架顶梁、而后割底部载棚腿的施工方法，能有效地减少掉顶的发生，并可避免频繁使用打撞楔的超前支护，能有效地加快掘进进度。但在遇到构造引起的顶板破碎比较严重时，由于割煤后顶板就有可能掉落，须打撞楔或打超前锚杆进行超前支护。的施工方法，在顶板管理方面取得了不错的效果。实践证明，这一施工方法在裂隙、节理发育的复合顶板条件下，切实可行并卓有成效。在裂隙、节理发育的参考文献：【ｌ】高树山，康岱昌．等．复合顶板冒落原因和控制【ＪＪ：煤炭科技，２００７，２６（６）．【２】李日富，回采巷道围岩三维受力特征及其维护的研究【Ｄ】．太原：太原理工大学，２００６ＦｕＵｙＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＤｒｉＶｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｌｅｘＲｏｏｆｗＡＮＧＪｉｎｇ—ｗｅｉｌ，ＳＵＮＢｉｎｇ—ｘｉｎ酽（１．Ｚｈａｎ舀ｉＭｉｎｅ，ＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇＧｒｏｕｐ，ＨｕａｉｎａＪｌＡｎｈｕｉ２１２３００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇｌｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｌｅｍｉｎａｓａ４０００３７，Ｃｈｉｎａ）ｓｅｒｉｅｓｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏ舀ｃａｌｐｒａｃｔｉｃｅｓａｎｄｉｎｎｏＶａｔｉｏｎｓｔｏｓｏｌＶｅｔｈｅｐｒｏｂ—ｔｈｅｆ射ｌｏｆｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｉｎｊｏｉｎｔａｎｄｆｈｃｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇ山ｅｒｉｓｉｎｇｆｕｌｌｙ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｒｉＶｉｎｇＺｈａｎ舀ｉｍｉｎｅ．７ｒｈｅｓｔｕｄｙａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｓｔｅｐｐｅｄｄｒｉＶｉｎｇａｎｄｓｔａｇｅｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ（ｔｈａｔｉｓ，ｆｉｒｓｔｃｕｔ—ｔｉｎｇｔｏｐｂｅａｍｓ，ｔｈｅｎｃｕｔｔｉｎｇｂｏｏｔ｝ｌｓｉｎｌａｔｉｏｎ．ｌｅｇｓ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｉｔｓｄｉｓｔｉｎｃｔｅｆｋｃｔａｎｄｉｔｓｂｅｎｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘｍｏｆ．ｓｈｅｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｄｒｉｖｉｎｇ；ｓｔａｇｅｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ编辑：刘新光（上接第４３页）４结论靠近工作面，改为２ｍ左右；由工作面前方支承压力分布特征可以判定来压规律，并且得到超前支承压通过ＦＬＡｃ３Ｄ对该矿工作面前方支撑压力的模拟研究发现，在初次来压之前，工作面前方支承压力逐渐增加，峰值平时距工作面５ｍ左右，来压时参考文献：力在工作面推进５０ｍ时出现，最大值约为２７ＭＰａ，对该矿的大采高综放生产具有一定的指导意义。ｆｌ】黄炳香，刘长友，吴锋锋，等．极松散细砂岩顶板下放煤工艺散体模型试验研究［ｊ］．中国矿业大学学报，２００６，３５（３）：３５１—３５５．［２】毛德兵．大采高综放开采及其应用可行性分析…．煤矿开采，２００３，８（１）：１１一１４，２１．【３１康天合，葛耀勇，柴肇云，等．底层大采高综放全厚开采２０ｍ特厚中硬煤层的物理模拟研究【Ｊ】．岩石力学与工程学报．２００７，２６（５）：１０６５—１０７０．【４】王家臣．我围综放开采技术及其深层次发展问题的探讨…．煤炭科学技术，２００５，３３（１）：１４—１７．【５】康天合，宋选民，弓培林．煤层条件对顶煤可放性的影响研究…．岩土工程学报，１９９６，１８（５）：２２—２９．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＦｒｏｎｔＳｕｐｐｏｒｔＳｔｒｅｓｓｏｆＦｕｎｙ—ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄＣａＶｉｎｇＦａｃｅｗｉｔｈＬａｒｇｅＺＨＡＮＧＭｉｎｉｎｇＨｅｉｇｈｔＹｏｎｇ＿ｊｕｎ０４８２００，Ｃｈｉｎａ）（ＱｉｎｈｅＥｎｅｒｇｙＧｒｏｕｐ，ＪｉｎｃｈｅｎｇＳｈａｎｘｉＡｂｓｔ阳ｃｔ：ＯｎｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＮｏ．１３ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｕｄｙａｎａｌｙｚｅｄｆ南ｎｔｗｉｔｈｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇａｎｄ４．５ｍｂｏｔｔｏｍｈｅｉｇｈｔｆｏｒｓｅ锄ｏｆＸｉｅｇｏｕｍｉｎｅａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＬＡＣ３Ｄｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｕｌｌ—ｓｅａｍｍｉｎｉｎｇ１４．６ｍＶｅｒｙｔ｝ｌｉｃｋｓｅａｍ，ｔｏｐｃｏ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