矿山安全工程学：巷道顶板事故控制成果

第四节　巷道顶板事故控制

巷道的变形和破坏形式是多种多样的，巷道中常见的顶板事故按照围岩破坏部位可分为巷道顶部冒顶掉矸、巷道壁片帮以及巷道顶帮三面大冒落三种类型。按照围岩结构及冒落特征又可分为镶嵌型围岩坠矸事故、离层型围岩片帮、冒顶事故、松散破碎围岩塌漏抽冒事故以及软岩膨胀变形毁巷事故等几种形式。

巷道顶板事故通常在巷道掘进头、巷道接岔口、地质构造复杂地带容易发生。另外，巷道中的冒顶还会由于斜巷跑车冲倒支架、车辆掉道和车上的物料突出车外引起支护受损以及支护方式选择不当或质量不合格而不能承受矿山压力等因素引起。

一、影响巷道顶板事故的因素

（一）自然因素

1.岩石性质及其构造特征

一般来说，软弱岩石的强度低，受力后容易产生变形和破坏，因此巷道掘进时遇到软弱的岩石就容易发生冒顶，但规模较小。与此相反，坚硬岩层受力后不易变形和破坏，巷道掘进过程中也不易发生冒落，然而一旦冒落其规模可能较大。此外，岩石的构造特征也影响巷道变形破坏性质和规模。

2.开采深度

采深大时，由于上覆岩层质量大，形成的支承压力较大。在底板软弱时，巷道容易出现底鼓现象。而且，在底鼓严重的矿井中，顶底板移近量中往往是底鼓的比重远大于顶板下沉的比重，使底鼓成为巷道维护中的一个难题。此外，地下岩石的温度也随开采深度而增加，温度升高会促使岩石从脆性向塑性转化，也容易使巷道产生塑性变形。

3.煤层倾角

煤层倾角不同往往使巷道破坏形式有差别。如水平或倾斜煤层中多出现顶板弯曲、下沉、顶板冒落；而急倾斜煤层多出现鼓帮、底板滑落及顶板抽条等破坏形式。

4.地质构造因素

如果巷道开掘在地质构造破坏带，则很容易发生各种规模的冒顶。因为断层破碎带通常是由各种大小不等、岩性不同的岩块、断层泥等组成的未胶结成岩的松散体，而且有的已经片理化，具有滑面或镜面，因此破碎带内的物质之间的黏结力、摩擦力都很小，承载能力很差，悬露时很容易冒落，所以断层破碎带不仅很容易发生冒顶，冒顶的规模可能较大，而且冒顶还可能连续多次发生。

5.水的影响

巷道围岩中含水较大时，将会加剧巷道的变形和破坏。对于节理发育的坚硬岩层，水使破碎块之间的摩擦系数减小，容易造成个别岩块滑动和冒落，而且也会使岩石强度降低。甚至如砾岩、砂岩等一些坚硬的岩石被水浸泡几天以后，其单轴抗压强度会比干燥时降低一半或更多。对于泥质岩石则常常会促使岩石软化、膨胀，从而可能造成巷道围岩产生很大的塑性变形。

6.时间因素的影响

各种岩石都有一定的时间效应，尤其井下巷道的围岩，在时间和其他因素的作用下，岩石的强度会因变形、风化和水的作用等而降低。时间效应不仅对于较软的岩石是明显的，即使是较坚硬的岩石也同样具有时间效应。实践证明，岩石在很小的应力作用下，只要作用的时间充分长，也可以发生很大的塑性变形。

（二）开采技术因素

影响巷道顶板事故的开采技术因素主要包括:

（1）巷道与开采工作的关系。如巷道是处于一侧采动还是两侧采动的条件下，是受初次采动还是受多次采动影响。

（2）巷道的保护方法。如巷道是依靠留煤柱保护还是在巷旁用专门的刚性充填带保护。

（3）巷道本身采用的支架类型和支护方式。

除此以外，还有掘进方式的影响，如在前进式开采中，采煤工作面上、下顺槽，可以采用与工作面平行掘进、滞后掘进及超前掘进等不同方式。采用滞后掘进可以躲开采煤工作面对巷道的剧烈影响，使巷道避免受到剧烈变形和破坏。

二、巷道支护原理

对巷道进行支护的基本目的在于缓和及减少围岩的移动，使巷道断面不致过度缩小，同时防止已散离和破坏的围岩冒落。巷道支护的效果却不仅仅取决于支架本身的支承力，还受到围岩性质、支架力学性质（支承力和可缩性）、支架安设密度、安设支架时间的早晚、支架安设质量和与围岩的接触方式（点接触或面接触）等一系列因素的影响。

在开掘巷道以后形成的“支架-围岩”力学平衡系统中，围岩通常承受着大部分的岩层压力，而支架却只承担其中一小部分。而且，在支架和围岩分担岩层压力的过程中，巷道支架所承担的载荷是多变的，其分担岩层压力的比重视围岩本身承担了多少载荷而定。围岩分担的比重愈多，支架分担的比重愈少。合理的支护方式应在保证安全的前提下充分利用围岩的自承力，使支架与围岩在相互约束的状态下共同承载，使得围岩在承受一定支架阻力的条件下有限制地（而不是自由地）向巷道空间内变形（受控变形）。在此过程中，支架和围岩双方的受力和产生变形大小都和任一方特性有关，并随任一方特性的变化而变化，如图6-23所示。

图6-23　支架与围岩相互作用关系

1.围岩松动破坏前的承载和变形曲线；2.围岩松动破坏后的承载和变形曲线；3.支架承载变形曲线

如果想依靠支架的支承力完全阻止围岩移动，这时所要求的支架支承力P将为最大（Pmax），其值相当于开巷前的原岩应力。但是只要围岩产生少量位移，P值就会急剧减小，如A点。但是这种情况不能无限制地继续下去，因为随着支架支承力减小，围岩移动量会随之增加，而移动量加大到一定程度，围岩将产生松动破坏，这时支架所受的松动压力也会加大（如曲线2）。从设计观点看，比较理想的情况是使支架的工作点保持在离B点不远的C点，使支架工作时的支承力PC仅稍大于Pmin值，这样才能获得既经济又安全的效果，因而也是支架与围岩相互作用和共同承载的合理工作点。

通常，为了使巷道支架在调节与控制围岩变形过程中起到积极作用，支架应在围岩发生松动和破坏以前安设，以便支架在围岩尚保持有自承力的情况下与围岩共同起承载作用，而不是等围岩已发生松散、破坏，几乎完全丧失自承力的情况下再用支架去承担已冒落岩块的重量。也就是说，应当使支架与围岩在相互约束和相互依赖的条件下实现共同承载。

三、不同施工地点防治顶板事故的措施

巷道冒顶主要发生在掘进工作面迎头处、巷道交叉处及围岩松散破碎地点。不同地点巷道顶板事故的特点有所不同，因此，应针对各自的情况采取相应的措施。

（一）掘进头

1.掘进头冒顶原因

（1）掘进破岩后，顶部存在将与岩体失去联系的岩块，如果支护不及时，该岩块可能与岩体完全失去联系而冒落。

（2）掘进头附近已支护部分的顶部存在与岩体完全失去联系的岩块，一旦支护失效，就会冒落造成事故。

2.掘进头冒顶事故的注意事项

（1）根据掘进头岩石性质，严格控制空顶距。当掘进头遇到断层褶曲等地质构造破坏带或层理裂隙发育等破碎岩层时，棚子应紧靠掘进头。

掘进工作面施工时为了防止空顶作业，永久支护前必须有临时支护措施。临时支护必须有足够的强度，对顶板有足够的控制面积，对现场条件有较好的适应性。掘进作业规程或施工安全技术措施要对使用的临时支护的方式、操作程序、技术要求等进行规定。

（2）严格执行敲帮问顶制度，危石必须挑下，无法挑下时应采取临时支撑措施，严禁空顶作业。

（3）在掘进头附近应采用拉条等把棚子连成一体，防止棚子被推垮，必要时还要打中柱以抗突然来压。

（4）掘进工作面的循环进尺必须依据现场条件在作业规程中明确规定，一般情况下永久支护离迎头的距离不得超过一个循环的进尺。地质条件变化时，应及时补充措施并调整循环进尺的大小。

（5）巷道顶部锚杆施工时应由外向里逐个逐排进行，不得在所有的锚杆眼施工完后再安装锚杆。

（6）采用架棚支护时，应对巷道迎头至少10m的架棚进行整体加固。加固装置必须是刚性材料，并能适应棚距的变化。

（二）巷道交叉处

巷道交叉处冒顶事故往往发生在巷道开岔的时候。因为开岔口需要架设抬棚替换原巷道棚子的棚腿，如果开岔处巷道顶部存在与岩体失去联系的岩块，并且围岩正向巷道挤压，而新支设抬棚的强度不够，或稳定性不够，就可能造成冒顶事故。当巷道围岩强度不是很大时，顶部存在与岩体失去联系的岩块以及围岩向巷道挤压就在所难免，如果开岔处正好是掘巷时的冒顶处，则情况更为严重。新支设抬棚的稳定性与两方面因素有关:抬棚架设一段时间后才能稳定，过早拆除原巷道棚腿容易造成抬棚不稳；开口处围岩尖角如果被压碎，抬棚腿失去依靠也会失稳。至于抬棚的强度，主要是与选用的支护材料及其强度有关。防治巷道开岔处冒顶的措施如下:

（1）巷道交叉点的位置尽量选在岩性好、地质条件稳定的地点，开岔口应避开原来巷道冒顶的范围。

（2）采用锚杆（锚索）对巷道交叉点支护时，要进行顶板离层监测，并在安全技术措施中对支护的技术参数、监测点的布置及监测方法等进行规定。

（3）架棚巷道的交叉点采用抬棚支护时，要进行抬棚设计，根据设计对抬棚材料专门加工，抬棚梁和插梁要焊接牙壳。

（4）当开口处围岩尖角被压坏时，应及时采取加强抬棚稳定性的措施。

（5）必须在开口抬棚支设稳定后再拆除原巷道棚腿，不得过早拆除，切忌先拆棚腿后支抬棚。

（三）围岩松散破碎区

在地质破坏带、层理裂隙发育区、压力异常区、分层开采下分层掘巷以及维修老巷等围岩松散破碎区容易发生巷道顶板冒顶事故。此类事故隐患比较明显，同时也最容易由较小的冒落迅速发展成大面积高拱冒落。防治措施主要有以下几种:

（1）炮掘工作面采用对围岩震动较小的掏槽方法，控制装药量及放炮顺序。

（2）根据不同情况，采用超前支护、短段掘砌法、超前导硐法等少暴露破碎围岩的掘进和支护工艺，缩短围岩暴露时间，尽快将永久支护紧跟到迎头。

（3）围岩松散破碎地点掘进巷道时要缩小棚距，加强支架的稳固性。

（4）积极采用围岩固结及冒落空间充填新技术。对难以通过的破碎带，采用注浆固结或化学固结新技术。对难以用常规木料充填的冒落空硐，采用水泥骨料、化学发泡、金属网构件或气袋等充填新技术。

（5）分层开采时，回风顺槽及开切眼放顶要好，坚持注水或注浆提高再生顶板质量，避免出现网上空硐区。下分层掘进以预留木楔为导向，过无网区或出入网边时，必须打撞楔控制顶板。

（6）在巷道贯通或通过交叉点前，必须采用点柱、托棚或木垛加固前方支架，控制放炮及装药量，防止崩透崩冒。

（7）维修老巷时，必须从有安全出口及支架完好的地方开始。在斜巷及立眼维修时，必须架设安全操作平台，加固眼内支架，保证行人及煤矸溜放畅通。在老巷道利用旧棚子套改抬棚时，必须先打临时支柱或托棚。(www.chuimin.cn)

此外，在掘进工作面10m内、地质破坏带附近10m内、巷道交叉点附近10m内、已经冒顶处附近10m内，都是容易发生顶板事故的地点，巷道支护必须适当加强。

四、不同支护方式防治顶板事故的措施

巷道的基本支护方式有支架支护、锚杆支护、砌碹支护等，现分述如下。

（一）支架支护

1.支架支护巷道的冒顶类型

支架支护巷道的冒顶可分为压垮型、漏垮型和推垮型三类。

（1）压垮型冒顶是因巷道顶板或围岩施加给支架的压力过大，压垮了支架，从而导致巷道顶部已破碎的岩块冒落。

（2）漏垮型冒顶是因无支护巷道或支护失效巷道顶部存在游离岩块，这些岩块在重力作用下冒落。

（3）推垮型冒顶是因巷道顶帮破碎岩石在其运动过程中存在平行巷道轴线的分力，如果这部分巷道支架的稳定性不够，可能被推倒而发生冒顶。

2.支架支护巷道冒顶事故的防治措施

（1）在可能的情况下巷道应布置在稳定的岩体中，并尽量避免采动的影响。

（2）巷道支架应有足够的支护强度以抗衡围岩压力。

（3）巷道支架所能承受的变形量应与巷道使用期间围岩可能的变形量相适应。

（4）尽可能做到支架与围岩共同承载。支架选型时，尽可能采用有初撑力的支架；支架施工时要严格按工序质量要求进行，并特别注意顶与帮的背严背实问题，杜绝支架与围岩间的空帮与空顶现象。

（5）凡因支护失效而空顶的地点，重新施工时应先支护顶，再施工。

（6）巷道替换支架时，必须先支新支架，再拆老支架。

（7）在易发生推垮型冒顶的巷道中要提高巷道支架的稳定性，可以在巷道的支架之间用拉撑件连接固定，增加架棚的稳定性，以防推倒。

（二）锚杆支护

锚杆支护巷道的冒顶事故的发生除地质因素外，主要是锚杆支护系统的锚固力不足引起的。巷道成巷后，在原岩应力和次生应力的作用下，巷道围岩产生变形，如果岩石不能自稳，且锚杆支护系统的锚固力不足，这种变形就得不到有效的控制，就会不断发展，最终导致围岩冒落和冒顶。锚杆间排距过大、锚杆支护材料选择不当、锚杆支护系统的匹配不合理、施工质量差等都会产生这一恶果。

采用锚杆支护时，应注意下列事项:

（1）锚杆、锚喷等支护的端头与掘进工作面的距离，锚杆的形式、规格、安装角度，混凝土强度等级、喷体厚度，挂网所采用金属网的规格以及围岩涌水的处理等，必须在施工组织设计或作业规程中规定。

（2）采用钻爆法掘进的岩石巷道，必须采用光面爆破。

（3）打锚杆眼前，必须首先敲帮问顶，将活矸处理掉，在确保安全的条件下方可作业。

（4）使用锚固剂固定锚杆时，应将孔壁冲洗干净，砂浆锚杆必须灌满填实。

（5）软岩使用锚杆支护时，必须全长锚固。

（6）锚杆必须按规定做拉力试验。煤巷还必须进行顶板离层监测，并用记录牌板显示。对喷体必须做厚度和强度检查，并有检查和试验记录。在井下做锚固力试验时，必须有安全措施。

（7）锚杆必须用机械或力矩扳手拧紧，确保锚杆的托板紧贴巷壁。

（三）砌碹支护

砌碹支护由于施工速度较慢，在顶板围岩破碎时掘进头容易冒顶。另外，巷道砌碹时，碹体与顶帮之间某些部位往往存在空隙，使碹体受力不均，在地压较大或不均匀地区，由于料石、混凝土等材料的抗拉强度都很小，拱顶或墙上的拉应力会使碹体破坏，造成巷道冒顶。

采用砌碹支护时，应注意以下事项:

（1）在地压较大或不均匀地区，为使支架不被破坏，应考虑采用钢筋混凝土砌碹。

（2）在掘砌一次成巷施工中，掘进工作面到砌碹地点一般保持20～40m距离。巷道砌碹时，必须及时排除顶帮活动的矸石，并应采取临时支护措施。

（3）顶板不好时要有专门措施，实行短掘短砌。要明确最大空顶距，并不准超过最大空顶距。空顶区应采取无腿托钩棚、前探支架等措施进行支护。托钩棚的棚梁、托钩和托钩插入岩帮长度必须符合规定，托钩棚的上部要刹紧接顶。

（4）采用料石砌碹时，砌碹用的料石材质和几何尺寸必须符合设计要求并经检验合格，不准用风化石料。

（5）开挖基础、砌墙、立拱架、支模（混凝土碹支盒子板）、铺拱板、拆拱架等在作业规程中要有具体规定，尤其要明确规定抬棚长度和立拱架长度、砌墙和扣拱之间的距离以及永久支护（砌碹）和临时支架之间的距离。

（6）砌墙和扣拱必须做到灰浆饱满，不准有干缝、瞎缝，不准出现重缝现象。砌墙时必须把料石用石楔支平。基础深度必须符合要求，墙体垂直。当碹墙高度超过1.5m时，要采取防倒措施。

（7）拱架之间必须有撑杆拉手，拱架要支稳支牢，保证巷道中腰线符合规定。

（8）巷道砌碹时，碹体与顶帮之间必须用不燃物充满填实；巷道冒顶空顶部分可用支护材料接顶，但在碹拱上部必须充填不燃物垫层，其厚度不得小于0.5m。充填物不准用煤炭等易碎易燃物而要用片石，较大空顶空棚要用木垛充填。

（9）砌体要保证足够的养护期，不准提前拆拱架。

五、巷道冒顶的处理方法

巷道冒顶大多发生在岩石松软区和破碎带内，巷道冒顶的处理应根据实际情况，因地制宜地采取相应的措施。

（一）木垛法

如果巷道冒顶范围较大，冒落高度较高，且冒落空硐以上顶板基本稳定，可以采用木垛法。该方法是先在冒落空硐里以下部的冒落煤矸为底加打木垛接顶，然后在木垛保护下清理煤矸，重新支架。在冒落空硐里加打木垛是带有一定危险性的工作，操作时必须十分注意。操作前要站在有支架掩护的地点，用长柄工具敲帮问顶，并设专人观察顶板变化情况。

（1）“井”字木垛法。冒顶不超过5m，冒落范围已基本稳定，可用此法，如图6-24所示。

（2）“井”字木垛和小棚结合法。冒顶超过5m，冒后稳定，为节省坑木和时间可用此法。要求架棚技术高，棚子牢固可靠，如图6-25所示。

图6-24　“井”字木垛法处理垮落巷道

图6-25　“井”字木垛和小棚结合法

处理垮落巷道

（二）搭凉棚法

当冒落高度不超过1m，并不再继续冒落，冒落长度也不太大时，可以用适当数量的较长坑木搭在冒落两头完好的支架上，即所谓搭凉棚法。搭好“凉棚”后，在其掩护下迅速出矸、架棚。架好棚子后，再在凉棚上用其他材料把顶板接实。此法在高瓦斯矿井不宜采用，如图6-26所示。

（三）直接支架法

在巷道围岩已经稳定，冒落矸石又不多，冒顶范围约为2～3架时，可采用直接支架法。该方法是先扒掉碍事的矸石，在两帮掏出柱窝，然后立好柱腿，紧接着架设顶梁，并且插背好，最后清理底部煤矸。再往前依次按照上述程序操作，直至处理完毕。

（四）撞楔法

当巷道冒落矸石很碎，可采用撞楔法处理。该方法是在冒顶的地方先用撞楔向冒落碎矸深处打入，在撞楔的保护下，清理冒落的煤矸，重新架设支架（图6-27）。

图6-26　搭凉棚法处理垮落巷道

图6-27　撞楔法处理巷道冒顶

1.木板；2.圆木撞楔；3.荆芭

（五）锚喷法

锚喷法适用于冒顶范围较大、具备锚喷支护设备的岩巷。该方法是先处理冒顶区域内顶板及两帮活矸，人员站在安全侧，向冒顶区域顶部喷射一层厚30～50mm的混凝土封固顶板，然后再封两帮。当初喷层凝固后再打锚矸，并及时挂网和复喷一次，复喷厚度不宜超过200mm。冒顶处理完后，按要求立模砌碹，也可架设金属支架。