薄基巖下綜采工作面壓架原因及處理措施

周文勇

【摘 要】綜采工作面由于受到各類因素的影響，特別是薄基巖的條件下，由于上部承載力弱，極易導(dǎo)致工作面壓架和倒架現(xiàn)象，全國(guó)很多地區(qū)都發(fā)生過綜采工作面壓架倒架現(xiàn)象，為此有必要對(duì)綜采工作面倒架的原因進(jìn)行，并總結(jié)出倒架的防范措施及處理方法。

【關(guān)鍵詞】薄基巖；壓架；綜采；原因；措施

1薄基巖條件下巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于薄基巖條件下巖層移動(dòng)與控制方面的研究主要是在上世紀(jì)90年代初隨著大柳塔煤礦某工作面壓架事故的發(fā)生才開始的，而且研究主要集中在淺埋深、薄基巖條件下巖層運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。西安礦業(yè)學(xué)院的侯忠杰教授以及黃慶享教授結(jié)合相似材料模擬、觀測(cè)資料，采用有限元數(shù)值計(jì)算對(duì)厚松散層下淺埋煤層開采進(jìn)行了分析：認(rèn)為基巖破斷及沿全厚切落是由剪切力造成的；整體臺(tái)階下沉造成冒落帶高度增加，使覆巖三帶發(fā)生了變化；淺埋薄基巖松散層頂不能形成穩(wěn)定的切體梁結(jié)構(gòu)；由于整體臺(tái)階下沉，常規(guī)的防砂巖柱經(jīng)驗(yàn)公式在此不適應(yīng)；工作面支護(hù)強(qiáng)度對(duì)基巖破壞及臺(tái)階下沉有明顯影響。下面就某工作面實(shí)際來(lái)分析壓架原因及處理措施。

2 工作面概況

某礦一綜采工作面位于礦井東四采區(qū)東翼，傾斜長(zhǎng)壁開采，面長(zhǎng)130m，推進(jìn)長(zhǎng)度675 m，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。受構(gòu)造應(yīng)力作用，煤系砂巖裂隙局部發(fā)育，富水性和滲透性較差，主要接受上覆含水層的補(bǔ)給。第四系下部砂礫含水層組直接覆蓋于煤系地層之上，層厚42.5 m，主要成分為石英巖、長(zhǎng)石砂巖，粒徑5～20 mm，結(jié)構(gòu)松散。該含水層與煤層頂板砂巖裂隙通過斷裂構(gòu)造、風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等發(fā)生一定的水力聯(lián)系。

以上工作面壓架時(shí)都伴隨著頂板沿煤壁線以內(nèi)切斷，煤壁附近有明顯的切落線，體現(xiàn)一定厚度范圍內(nèi)的頂板全厚度切落。同時(shí)頂板垮落時(shí)有較大的沖擊力，支架因無(wú)法承受初次來(lái)壓的沖擊，而先后被壓死，無(wú)法再組織生產(chǎn)，來(lái)壓速度快、強(qiáng)度大，支架700～800mm的活柱，僅在10h左右支架即被壓死，工作面頂板出現(xiàn)整體下沉，煤壁被整體壓出產(chǎn)生位移500mm之多。

上述發(fā)生壓架的工作面都是在巨厚松散承壓含水層、薄基巖條件下進(jìn)行開采。多起采場(chǎng)壓架事故的發(fā)生，說(shuō)明此地區(qū)采場(chǎng)在松散承壓含水層、薄基巖條件下開采頂板破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律有其特殊性，而現(xiàn)有的采場(chǎng)支護(hù)技術(shù)與支護(hù)管理不能完全適應(yīng)采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了避免類似的采場(chǎng)壓架事故的再次發(fā)生，有必要對(duì)該地區(qū)采場(chǎng)特定的覆巖結(jié)構(gòu)與破斷規(guī)律開展研究，找出導(dǎo)致采場(chǎng)壓架的主要原因，提出相應(yīng)的防治對(duì)策。

3工作面倒架原因分析

通過對(duì)該工作面壓架時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀察，發(fā)現(xiàn)工作面壓架時(shí)煤壁上方有明顯的頂板切落線、頂板出現(xiàn)臺(tái)階式下沉等現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著來(lái)壓強(qiáng)度快、具有較強(qiáng)的沖擊力等特征，所有工作面壓架時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象都說(shuō)明了工作面頂板來(lái)壓時(shí)屬于一定范圍內(nèi)的巖體“全厚切落式”冒落。

壓架的同時(shí)工作面的涌水量也相應(yīng)的增大，地面水位常觀孔的水位標(biāo)高在工作面壓架期間也明顯的降低，對(duì)該工作面涌出水進(jìn)行元素分析也發(fā)現(xiàn)水中含有“四含水”中的元素，所有這些都證明了工作面壓架時(shí)工作面涌水量有了“四含水”承壓水的介入，有裂隙發(fā)展到四含承壓含水層。

該工作面頂板存在著多層關(guān)鍵層，由于該工作面是在薄基巖條件下進(jìn)行開采，導(dǎo)致了多層關(guān)鍵層構(gòu)成了復(fù)合效應(yīng)；又由于松散承壓含水層的存在，使表土層的載荷完全作用在關(guān)鍵層上，導(dǎo)致多層關(guān)鍵層破斷時(shí)構(gòu)成復(fù)合破斷，工作面頂板形成一定范圍內(nèi)的巖層“全厚度切落式”礦壓顯現(xiàn)，頂板出現(xiàn)臺(tái)階下沉，來(lái)壓強(qiáng)度大，速度快，具有較強(qiáng)的沖擊力，來(lái)壓的瞬間支架載荷劇增，因部分安全閥動(dòng)作跟不上而不能迅速開啟卸載，出現(xiàn)支架壓死現(xiàn)象，失去承載能力。

在影響關(guān)鍵層復(fù)合破斷的諸多因素中，關(guān)鍵層上覆載荷的作用方式以及基巖的厚度對(duì)關(guān)鍵層的復(fù)合破斷有決定作用。關(guān)鍵層上覆作用載荷若為均布載荷，關(guān)鍵層極易構(gòu)成復(fù)合破斷；若關(guān)鍵層上覆載荷為表土層或巖層加載，由于在采動(dòng)過程中表土層或巖層有成拱效應(yīng)，作用在關(guān)鍵層上面的載荷就相對(duì)較小，關(guān)鍵層就不易發(fā)生復(fù)合破斷，工作面也就不會(huì)發(fā)生一定范圍內(nèi)的巖層“全厚切落式”礦壓顯現(xiàn)特征。基巖的厚度較薄時(shí)，關(guān)鍵層也極易構(gòu)成復(fù)合破斷，當(dāng)基巖的厚度增大到一定的程度，關(guān)鍵層就不會(huì)發(fā)生復(fù)合破斷。

通過分析該工作面的開采條件完全符合在均布載荷（松散承壓含水層）和薄基巖條件下開采，從而導(dǎo)致了該工作面頂板巖層中的關(guān)鍵層隨著推進(jìn)距的增加發(fā)生復(fù)合破斷。因此，該工作面壓架的主要原因是工作面頂板中的關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷，工作面頂板多層巖層發(fā)生“全厚切落式”垮落，超出工作面的支架的承載能力，發(fā)生意想不到的壓架事故。

4處理工作面倒架措施

工作面壓架的主要原因是工作面頂板中的關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷，一定范圍內(nèi)的巖層發(fā)生“全厚切落式” 垮落造成的。因此，防止類似該工作面采場(chǎng)壓架的措施應(yīng)該從兩方面考慮：一方面是在工作面頂板中的關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷、頂板一定范圍內(nèi)巖層“全厚切落式”垮落時(shí)，工作面支架能夠支撐切落巖層所產(chǎn)生的壓力；另一方面是采取一切開采措施使工作面頂板巖層內(nèi)的關(guān)鍵層不發(fā)生復(fù)合破斷，頂板不發(fā)生一定范圍內(nèi)的巖層“全厚切落式”垮落。要做到這兩方面，應(yīng)該采取以下幾種主要開采措施。

4.1 提高工作面的支護(hù)強(qiáng)度

提高工作面的支護(hù)強(qiáng)度主要目的是在工作面頂板中的關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷時(shí)，支架的支撐力能夠支撐整體切落巖層所產(chǎn)生的壓力，不至于發(fā)生支架壓死現(xiàn)象。

工作面的支護(hù)強(qiáng)度直接影響到工作面支架的工作阻力和初撐力，提高工作面的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)工作面安全生產(chǎn)至關(guān)重要。工作面的支護(hù)強(qiáng)度首先表現(xiàn)在工作面支架選型方面，目前我國(guó)支架選型主要是依據(jù)是工作面阻力，確定方法有兩種：一是按傳統(tǒng)的倍數(shù)巖重法和動(dòng)載系數(shù)法估算其理論值：另一是根據(jù)實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)或相鄰礦井的實(shí)際進(jìn)行類比。這兩種方法都沒有考慮到工作面的具體情況，沒有涉及到工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征，一旦工作面頂板出現(xiàn)非常規(guī)冒落，工作面就會(huì)出現(xiàn)意料不到的壓架事故發(fā)生，

4.2 縮短工作面的開采長(zhǎng)度

從第二章理論分析可知，工作面的開采長(zhǎng)度對(duì)工作面開采以后上面巖體的冒落高度有重要的影響，同時(shí)工作面開采長(zhǎng)度對(duì)關(guān)鍵層復(fù)合破斷有控制作用，因此，縮短工作面開采長(zhǎng)度是控制頂板異常來(lái)壓的有效因素之一。

4.3 疏干或疏降開采

疏干或疏降開采是指利用各種疏水工程和設(shè)備（如疏水井巷、大口徑疏水鉆孔、設(shè)置強(qiáng)排水設(shè)備等），將上覆水體疏干或?qū)⑸细埠畬拥乃皇杞档介_采水平以下。上覆水體水量較小、補(bǔ)給有限時(shí)，采取疏干措施；當(dāng)上覆水體的水量較大、補(bǔ)給充足時(shí)，采取降水位措施。對(duì)于類似工作面在薄基巖、承壓含水層下開采應(yīng)采用疏干開采，一是可以降低工作面的涌水；二是可以降低水壓，把作用在基巖上的載荷由均布載荷變成基巖或表土層加載

5 結(jié)束語(yǔ)

大采高綜采工作面液壓支架傾倒的因素很多，如地質(zhì)條件、設(shè)備、管理等。實(shí)際工作中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)支架傾倒原因的分析和控制，根據(jù)不同的倒架原因，采取不同的措施。可以有效避免了工作面遭受巨大的損失，使大采高綜采工作面真正發(fā)揮高產(chǎn)高效的作用，也為類似條件下工作面設(shè)備的防倒提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（作者單位：內(nèi)蒙古銀宏能源開發(fā)有限公司泊江海子礦）