孤島工作面末采貫通壓架分析及防治措施

薄勇吉

（西山煤電杜兒坪礦，山西 太原 030022）

1 工作面概況

杜兒坪礦1605孤島工作面沿走向布置，回采煤炭資源為五采區(qū)大巷煤柱及殘留邊角資源，工作面北側(cè)為已回采的1602和1603工作面，南側(cè)為斷層及已回采的1606綜放工作面，西側(cè)為已回采的3-邊角02和3-邊角03工作面，東側(cè)為五采區(qū)三條大巷。工作面走向長678m，傾斜長160m,煤層平均厚度為5.8m，傾角4°，工作面標(biāo)高為710～734m，開采深度為230m。該煤層老頂厚度為5.70～7.30m的粗、中、細(xì)粒砂巖、粉砂巖；直接頂厚度為0.15～4.80m的泥巖，泥巖裂隙發(fā)育，砂泥質(zhì)膠結(jié)，易冒落；直接底厚度為3.00～7.50m的泥巖，深灰色，疏松，易碎，易風(fēng)化。經(jīng)測定，工作面瓦斯絕對涌出量為3.79m3/min，相對涌出量為0.85m3/t，二氧化碳絕對涌出量為5.21m3/min，相對涌出量為1.17m3/t，屬低瓦斯工作面。

在工作面切眼發(fā)育F5-23斷層，在工作面南側(cè)發(fā)育F1斷層和X-51陷落柱，回風(fēng)順槽沿F1斷層布置，斷層煤柱留設(shè)20m，斷層落差18～20m，傾角75°；受陷落柱影響，工作面在遇陷落柱前留20m煤柱并拐彎，工作面成“刀把子”設(shè)計(jì)；距切眼186m揭露斷距為3.5m的正斷層，該斷層處頂部、幫部破碎嚴(yán)重；工作面中部有兩條空巷為五采區(qū)舊軌道和回風(fēng)巷，軌道巷與工作面平交，回風(fēng)巷位于工作面上方。受上述構(gòu)造影響1605工作面回采時(shí)局部地段圍巖破碎，并伴有裂隙水，工作面頂板易冒落、可能會(huì)出現(xiàn)頂板破碎、掉落矸石等情況。

圖1 孤島工作面布置示意

回采工作面平均煤厚為5.8m，采用走向長壁式綜采放頂煤采煤法。工作面采用全部垮落法管理頂板，選用ZF2600/16/24B型液壓支架支護(hù)頂板（114臺），支架額定工作阻力2600kN，初撐力1932kN，支護(hù)強(qiáng)度0.47～0.53MPa；工作面選用6MG200-W型采煤機(jī)，SGB-630/2×110型刮板輸送機(jī)。工作面采用綜采放頂煤工藝，循環(huán)進(jìn)度0.6m，采高2.2m，放煤 3.6，采放比 1：1.64，采取“隔一放一”放煤法，放煤步距0.6m，即“一循環(huán)一放”。

2 壓架過程分析

1605孤島工作面于2018年5月14日貫通，中班清煤。貫通后，工作面45架出現(xiàn)漏矸，頂板壓力增大。支架回撤過程中，1605孤島工作面回撤通道頂板下沉，導(dǎo)致80架到機(jī)頭段大部分支架壓死。2018年5月17～18日支架活柱最大下縮量達(dá)到1.5m，此期間支架壓死，停采，采取措施復(fù)采后支架活柱下縮量有所減小，直到5月29日中班，孤島工作面開始試運(yùn)轉(zhuǎn)，本次搬家倒面總共15天完成。

1605孤島工作面貫通后頂板下沉，壓死支架，致使此次搬家時(shí)間長達(dá)15天。且末采期間，設(shè)備頻繁故障，影響該工作面貫通時(shí)間。為避免今后孤島工作面回撤時(shí)壓架導(dǎo)致工作面貫通時(shí)間滯后，本文將對孤島工作面回撤時(shí)壓架原因進(jìn)行分析，并提出防治措施。

3 壓架技術(shù)原因與機(jī)理分析

3.1 壓架技術(shù)原因分析

經(jīng)分析，導(dǎo)致壓架的主要技術(shù)原因有三個(gè)，分別為：1605孤島工作面與采空區(qū)動(dòng)壓傳動(dòng)未切斷，孤島工作面頂板受采空區(qū)動(dòng)壓傳動(dòng)影響較大，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，壓力顯現(xiàn)大于以往的綜采工作面，是造成主回撤壓架的主要原因；該面末采時(shí)等壓時(shí)間為5h，等壓時(shí)間比較短，也是影響回撤頂板下沉的主要原因之一；現(xiàn)場施工時(shí)，貫通前提前降低了采高，導(dǎo)致底板不平，留設(shè)的頂煤不足，使得支護(hù)效果變差也是原因之一。

3.2 機(jī)理分析

工作面基本頂巖層存在細(xì)粒砂巖層，通過對頂板鉆孔取芯發(fā)現(xiàn)，基本頂垂高35m范圍內(nèi)巖層變化及層高變化較明顯，細(xì)粒砂巖的高度最大為16m，且通過實(shí)驗(yàn)室對其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量，得出其單軸抗壓強(qiáng)度為36.78MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為4.2MPa，屬于比較堅(jiān)硬的巖層，為巖層控制的關(guān)鍵層。在其下方巖層為中粒砂巖，屬于亞關(guān)鍵層，其抗壓強(qiáng)度為23.3MPa。孤島工作面回撤時(shí)，相鄰采空區(qū)與工作面的動(dòng)壓影響會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵層應(yīng)力集中明顯，關(guān)鍵層的礦壓會(huì)傳遞到其下方的亞關(guān)鍵層，相鄰巖層會(huì)由于協(xié)同變形形成組合梁結(jié)構(gòu)，上部巖層傳遞到下部巖層的應(yīng)力如下公式所示：

式中：hi為第i層巖層的厚度；γi為第i層巖層的體積力；Ei為第i層巖層的彈性模量。

由于亞關(guān)鍵層在礦壓較大的情況下不易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，通常會(huì)斷裂形成懸臂結(jié)構(gòu)，基本頂次關(guān)鍵層斷裂就會(huì)導(dǎo)致支架活柱最大回縮量突變，導(dǎo)致壓架狀況的發(fā)生。

采用相似模擬試驗(yàn)對工作面回撤期間頂板形態(tài)進(jìn)行研究，試驗(yàn)搭建的模型如圖2所示，用槽鋼通過螺栓固定，模型幾何尺寸為3m×0.2m×3m.經(jīng)驗(yàn)算，上部巖層作用下，對工作面的作用很小，所以此模型上部為自由面，不施加額外荷載。

圖2 相似模擬試驗(yàn)架

試驗(yàn)前，布置116個(gè)水平位移及垂直位移測點(diǎn)，并且用精度為2″的光學(xué)經(jīng)緯儀進(jìn)行測量位移的測量。工作面開采按正常進(jìn)尺每班3刀，頂板位移在開采初期均很小，推進(jìn)19.2m時(shí)礦山壓力開始顯現(xiàn)，且周期來壓強(qiáng)度不大，工作面推進(jìn)36m時(shí)頂板開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象，且隨著開采工作繼續(xù)，離層逐漸發(fā)育，直至關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)，頂板完全垮落成扇形，垮落角約55°，垮落效果圖如圖3所示。

圖3 頂板垮落效果圖

4 壓架處理措施

1）通過挖底增加采高，在底板不平及采高較低處可采用鉆眼爆破法進(jìn)行挖底，鉆眼爆破的炮眼深度取2m，炮眼與底板的夾角取30°，在支架前距離輸送機(jī)邊緣30cm開始布置炮眼，且每個(gè)炮眼的裝藥量不宜太多，一般不超過2卷，圖4為炮眼布置示意圖。

2）采用挖底增加采高的同時(shí)，可采用拆卸護(hù)幫板的措施增加采煤機(jī)與支架之間的高度，6MG200-W型采煤機(jī)拆卸護(hù)幫板后采煤機(jī)和支架之間的高度最高可增加0.5m，可在一定程度解決壓架問題，但是在支架活柱下縮量太大時(shí)，或者支架被壓死時(shí)，此種措施仍不能保證工作面正常回撤。

圖4 采取起底、破頂處理支架壓死措施示意

3）通過破除頂板增加支架活柱行程可防止壓架。頂板破除的方法仍然采用鉆眼爆破法。打眼前，將支架頂梁的煤塊、矸石清理干凈，然后在頂煤上鉆進(jìn)深度1m的鉆孔，鉆孔水平布置。爆破完成后，在挑起平衡油缸的同時(shí)，升緊支架，將支架的初撐力增加到25.2MPa后放頂處理，工作面可正常回撤。圖2為處理措施示意圖。

5 壓架預(yù)防措施

1）增加回撤巷道的高度，原有巷道高度為2.2m，增加到2.6m時(shí)支架活柱下縮量超過0.7m時(shí)支架才會(huì)被壓死，才會(huì)影響采煤機(jī)通過；對孤島工作面通過爆破或者注高壓水的方法進(jìn)行切頂卸壓，提前切斷孤島工作面與1602、1603采空區(qū)的動(dòng)壓傳動(dòng)，減小采空區(qū)對孤島工作面頂板的影響。

2）對工作面礦壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且隨著礦壓的變化，及時(shí)調(diào)整錨桿支護(hù)的參數(shù)，并且制定相關(guān)應(yīng)對礦壓顯現(xiàn)情況的預(yù)案。

3）ZF2600/16/24B型液壓支架工作阻力偏小，針對本工作面的實(shí)際情況，可選擇工作阻力相對較大的液壓支架，保證液壓支架有足夠的工作阻力；施工過程中，嚴(yán)格控制采高，貫通前也不得隨意改變采高，始終保證支架活柱的下縮量有余量。