摘 要：介绍了张集煤矿在煤巷上山综掘施工中，为解决节理、裂隙发育的复合顶板掉顶这一难题而摸索出的一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梁，后割底部载棚腿的施工方法解决问题成效显著，为此种条件下煤巷综掘提供并积累了一定的实践经验。

　　关键词：复合顶板;棚网支护;综掘;分次成巷

　　1 概况

　　张集煤矿为高瓦斯突出矿井，1214(1)工作面为一倾斜长臂工作面，标高范围-630m～-430m，工作面宽249.3m，倾斜长2174～2197m，两巷及工作面切眼沿11-2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2.35～3.89m,倾角2°～9°，平均5°。11-2煤层顶板是复合顶板，直接顶为泥岩，含11-3煤线(约0.5m)，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。而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=5000×3630mm，净断面积=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15~20min后，刚暴露的顶板即有大块矸石掉落，一般掉落高度为1～1.5m。由于大面积掉顶，造成巷道顶部出现大面积空洞，这样不但危及井下工人的安全，并增加了煤巷支护难度，而且空洞容易造成瓦斯积聚，加大了矿井瓦斯灾害隐患。

　　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，而且效果不是很好，仍然不能解决随掘随掉的现象。后采取打撞楔进行超前支护，虽然可以解决掉顶问题，但是频繁使用打撞楔的施工方法，不但增加了支护成本，而且严重影响掘进速度。

　　3 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，由空间任意力系的平衡条件可知，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，则六面体就具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;此外，支护的迎山角也会对六面体的下推有个阻力。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义有一定的倾角时，在自重作用下六面体就具有向去路方向的推力，从而复合顶板出现掉渣冒顶现象。

　　另外，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[2]。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。

　　3.2 1214(1)掘进面复合顶板冒落分析

　　根据复合顶板的力学分析、平衡条件及影响因素可知，导致张集矿1214(1)工作面顺槽掘进面复合顶板经常冒落原因有：

　　1、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。

　　2、1214(1)工作面顺槽净宽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°～9°，平均5°。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。

　　3、在一次成巷一个掘进循环施工中，最短空顶时间30～40min，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形成膨胀、变形、断裂，最后掉落。

　　4、综掘机在掘进割煤时，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新施工方法

　　通过以上分析，可以看出在不进行超前支护的情况下，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→切割并清煤→移前探梁→架棚梁→背顶→载棚腿→背顶→载棚腿→上卡缆→背帮。

　　但以上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，该施工方法工艺流程如下：

　　安全检查→切割上部并清煤→移前探梁→架棚梁→背顶→上棚梁卡缆→安全检查→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如图1所示：

　　图1 分次成巷掘进工作面示意图

　　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1000多米，虽与一次成巷掘进程序有所增多，掘进速度也稍有降低，但很好的解决了复合顶板随掘随掉问题，对于安全生产起到了至关重要的作用。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由以下几个方面进行分析：

　　1、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(如图1所示)，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，能有效减少在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。

　　2、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25～30 min;而采用两次成巷施工时，割顶部煤需要时间12～15min，可以减少空顶时间10～18min。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。

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