淺埋深薄煤層綜采面壓架機(jī)理分析及防治對(duì)策

姚 海，王生彪

(1.神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315；2.神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦，陜西 神木 719316)

0 引言

中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)公司是我國(guó)最大的煤炭生產(chǎn)加工企業(yè)，煤礦主要分布在神府煤田，地處晉陜蒙三省交界處，地域遼闊，資源豐富，是全國(guó)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)億噸級(jí)的礦區(qū)。20世紀(jì)80年代，由于受采礦技術(shù)及裝備制造水平的限制，礦區(qū)開(kāi)發(fā)初期資源回收多采用房柱式采煤法。后來(lái)隨著技術(shù)水平及裝備業(yè)的快速發(fā)展，從90年代開(kāi)始綜合機(jī)械化開(kāi)采工藝在神東得到了全面的推廣運(yùn)用，采區(qū)回采率也得到了大幅提升?？墒?，對(duì)于井田內(nèi)的一些邊角塊段資源，采用綜采回采時(shí)存在搬家倒面時(shí)間長(zhǎng)，成本高，經(jīng)濟(jì)效益低下等問(wèn)題，為了提高采區(qū)回采率神東公司采用裝備簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，回采率高的短壁機(jī)械化采煤工藝，很好地解決了這一問(wèn)題。然而這些小塊段采空區(qū)對(duì)下層煤的安全回采造成極大威脅，稍有不慎將引發(fā)下層綜采工作面頂板大量下沉，甚至壓死支架。國(guó)內(nèi)許多礦井，也積極需求各種手段和方法解決這一問(wèn)題。打磨溝煤礦通過(guò)加強(qiáng)回采及掘進(jìn)工作面的頂板管理水平和優(yōu)化支護(hù)進(jìn)行了過(guò)上覆集中煤技術(shù)研究，并取得了明顯效果，實(shí)現(xiàn)了安全回采[1]；補(bǔ)連塔煤礦22303大采高綜采工作面通過(guò)采用GSJ-1型礦壓儀對(duì)ZYDC型單體液壓支柱工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并通過(guò)對(duì)工作面支護(hù)設(shè)備的可靠性和適應(yīng)性進(jìn)行分析，確定了采動(dòng)影響范圍及支承壓力分布規(guī)律，為合理選擇過(guò)集中煤柱支護(hù)方式提供了依據(jù)[2]；潘二煤礦18516工作面針對(duì)近距離煤層上覆煤層開(kāi)采受支承壓力的影響，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明：受煤柱高支承壓力影響，工作面開(kāi)采至該位置時(shí)容易出現(xiàn)片幫和冒頂?shù)痊F(xiàn)象[3]?；诖?，以榆家梁煤礦43303-2綜采工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面發(fā)生壓架機(jī)理進(jìn)行分析研究，制定針對(duì)性的防治措施，以期達(dá)到礦井安全回采的目的。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

榆家梁煤礦43303-2綜采工作面是4-3煤三盤區(qū)的第3個(gè)綜采面，走向長(zhǎng)702 m，傾斜寬351 m，平均煤厚1.7 m，設(shè)計(jì)采高2.0 m(受支架及煤機(jī)配套限制，割巖300 mm)。工作面采用全部垮落后退式綜合機(jī)械化采煤法，回采率95%。工作面為淺埋深煤層[4]，平均埋深102 m，基巖厚52 m，松散黃土層厚50 m，地形起伏變化比較大?；夭蓞^(qū)上部18～22 m有4-2煤短壁回采面，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)采煤層頂?shù)装迩闆r表

1.2 設(shè)備配套

液壓支架：選用波蘭生產(chǎn)的TAGOR ZY10660/1.1/2.2型二柱支撐掩護(hù)式液壓支架，共205臺(tái)，其中機(jī)頭、機(jī)尾端頭支架分別為3、4臺(tái)，過(guò)渡支架機(jī)頭機(jī)尾分別為2臺(tái)、1臺(tái)，中部支架195臺(tái)，見(jiàn)表2。

采煤機(jī)：選用JOY公司生產(chǎn)的7LS1A/LWS663型采煤機(jī)1臺(tái)，見(jiàn)表3。

表2 塔高TAGOR ZY10660/1.1/2.2液壓支架主要技術(shù)特征

表3 JOY-7LS1A LWS663型雙滾筒采煤機(jī)主要技術(shù)特征

1.3 正?；夭蓵r(shí)周期來(lái)壓情況

43303-2工作面正?；夭蓵r(shí)的周期來(lái)壓步距5～7 m，每個(gè)圓班周期來(lái)壓一次，來(lái)壓時(shí)支架活柱下縮量達(dá)30～50 mm/刀，持續(xù)長(zhǎng)度3～4刀，無(wú)壓段持續(xù)4～5刀，來(lái)壓時(shí)支架載荷最大46 MPa，顯現(xiàn)較為明顯，頂板稍有小塊脫層、磷皮現(xiàn)象。

1.4 上覆煤柱情況

43303-2工作面推進(jìn)2 m后，進(jìn)入上覆42204回輔撤通道保護(hù)煤柱(全工作面)，煤柱凈寬度23 m。工作面推進(jìn)153.9 m后，上覆經(jīng)過(guò)4-2煤房采空區(qū)應(yīng)力集中煤柱。此后工作面直到貫通，117#架至機(jī)尾(長(zhǎng)度143 m)段上覆存在4-2煤短壁回采工作面遺留煤柱，上覆基巖厚度75～104 m，層間距22 m。

2 壓死支架過(guò)程與來(lái)壓后工作面情況

2.1 壓死支架過(guò)程

2月1日8：40分，工作面機(jī)頭推進(jìn)290 m，機(jī)尾推進(jìn)299.6 m，平均推采295 m，此時(shí)機(jī)頭已出42103切眼煤柱3 m，機(jī)尾超前機(jī)頭9.6 m。零點(diǎn)班割完機(jī)尾三角煤，當(dāng)煤機(jī)正準(zhǔn)備向機(jī)頭行進(jìn)時(shí)，突然機(jī)尾至60#架支架安全閥開(kāi)啟(開(kāi)啟壓力45 MPa)，支架立柱行程逐漸下降，支架壓力大部分達(dá)到46 MPa以上，機(jī)尾段部分達(dá)到50 MPa以上，最大達(dá)到50.9 MPa，工作面整體煤壁片幫、炸幫嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。為避免設(shè)備被壓死，按以往經(jīng)驗(yàn)，煤機(jī)司機(jī)立即將煤機(jī)行進(jìn)至170#架附近準(zhǔn)備快速推進(jìn)甩壓，當(dāng)采煤機(jī)左滾筒退至167#架進(jìn)刀時(shí)，機(jī)尾滾筒上方支架已壓在滾筒上，采煤機(jī)牽引不能動(dòng)作，無(wú)法運(yùn)行，此時(shí)周邊支架立柱行程已下降0.8～1.1 m，全部壓在煤機(jī)電纜槽上部。

2.2 來(lái)壓后工作面情形

發(fā)生壓架時(shí)，工作面機(jī)頭推進(jìn)290 m，機(jī)尾推進(jìn)299.6 m，平均295 m。工作面機(jī)頭已出42103切眼煤柱3 m，機(jī)尾已進(jìn)入4-2煤短壁回采采空區(qū)20 m。從2月1日中午12點(diǎn)記錄的工作面礦壓顯示來(lái)看，15#架至機(jī)尾大部分支架壓力都在44 MPa以上，最大達(dá)到49.2 MPa。整個(gè)工作面周期來(lái)壓，機(jī)尾段局部出現(xiàn)切頂現(xiàn)象。

壓架后，在地表實(shí)測(cè)塌陷裂隙位置，發(fā)現(xiàn)機(jī)頭至機(jī)尾全部塌陷，機(jī)尾往機(jī)頭方向195 m處塌陷裂隙較大，最寬裂縫8 cm，最高塌陷裂縫落差0.3 m，超前工作面全斷面塌陷[5]，平均27 m，最大達(dá)到38 m，如圖1所示。

圖1 地表實(shí)測(cè)塌陷裂隙位置示意圖

3 事故原因分析與防治措施

3.1 事故原因分析

直接原因：43303-2工作面壓架位置上覆18～22 m有42103切眼煤柱及4-2煤短壁回采采空區(qū)，經(jīng)查看4-2煤房采后地表下沉觀測(cè)記錄顯示，當(dāng)時(shí)房采采空區(qū)老頂未完全垮落。4-3煤綜采面老頂垮落引發(fā)4-2煤房采采空區(qū)頂板垮落[6]，礦壓疊加形成動(dòng)載礦壓[7]，是造成此次壓架事故的主要原因。

間接原因：經(jīng)鉆孔資料分析，43303-2工作面壓架位置上覆有21 m厚的巖層，其中有17.6 m厚粉砂巖老頂，老頂堅(jiān)硬，頂板瞬間折斷，來(lái)壓劇烈，致使支架被壓死，是造成此次事故的次要原因[8]。

43303-2工作面面長(zhǎng)351 m，是4-3煤綜采面最長(zhǎng)的一個(gè)綜采面，工作面推進(jìn)速度慢，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，周期來(lái)壓頻繁。

3.2 防治措施

深孔爆破:經(jīng)分析，上覆房采采空區(qū)懸頂是導(dǎo)致此次事故發(fā)生的主要原因，因此采取在上覆4-2煤短壁回采集中煤柱對(duì)應(yīng)地面施工大孔徑鉆孔進(jìn)行強(qiáng)制爆破解危集中煤柱措施[9]。設(shè)計(jì)大孔徑垂直孔7個(gè)，總進(jìn)尺432 m，見(jiàn)表4。

表4 43303-2工作面地面爆破鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

高壓水預(yù)裂頂板:在43303-2工作面回風(fēng)順槽打孔對(duì)本煤層頂板實(shí)施高壓水預(yù)裂進(jìn)行弱化[10]，設(shè)計(jì)鉆孔25個(gè)，總進(jìn)尺為3 750 m，單孔長(zhǎng)度150 m，間距16 m，仰角8°，見(jiàn)表5。

表5 井下高壓水預(yù)裂鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

加強(qiáng)地表塌陷觀測(cè)：加強(qiáng)43303-2工作面的礦壓觀測(cè)，礦總工程師每天組織對(duì)工作面礦壓情況、地表塌陷情況、工作面頂板巖性及層位進(jìn)行綜合分析，預(yù)測(cè)工作面來(lái)壓步距及來(lái)壓強(qiáng)度，指導(dǎo)工作面進(jìn)行安全回采[11]。

優(yōu)化4-3煤北翼綜采工作面布置：重新設(shè)計(jì)4-3煤剩余綜采工作面，減小工作面長(zhǎng)度，盡可能避免或減小綜采面受上覆房采采空區(qū)及應(yīng)力集中煤柱的影響，降低壓架風(fēng)險(xiǎn)。

分段調(diào)斜：對(duì)受4-2煤集中煤柱影響區(qū)域調(diào)斜回采，工作面與集中煤柱呈斜交布置，調(diào)斜角度及距離以運(yùn)輸機(jī)上竄下移及安全出口的寬度情況而定。

4 結(jié)語(yǔ)

以神東公司榆家梁煤礦43303-2綜采工作面壓死支架為工程實(shí)例，提出了以地表深孔爆破解危集中煤柱及井下大孔徑高壓水預(yù)裂煤層頂板泄壓技術(shù)為主要措施的防治對(duì)策，對(duì)類似開(kāi)采條件煤礦的安全生產(chǎn)具有借鑒及推廣價(jià)值。