過集中煤柱期間的頂板管理

王小照，王浩宇，王福海

（國家能源集團公司神東煤炭公司榆家梁煤礦，陜西 榆林719316）

1 引言

頂板管理作為煤礦安全生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)，一直以來都是綜采生產(chǎn)的管控重點，也是造成的人員傷亡與經(jīng)濟損失的主要原因之一。尤其當工作面通過上覆煤柱時，冒頂、工壓架事故、炸幫等風險明顯增加。針對過上覆煤柱期間頂板管理的問題，多年來各國各地區(qū)頭從不同角度對該段生產(chǎn)區(qū)間內頂板進行了研究，其中以強度理論、能量理論和“三準則”理論最具代表性。隨著科技的發(fā)展，工作面設備的工作性能不斷提高，過上覆煤柱期間的頂板管理難度有所降低，但仍有許多實際問題需要解決，還需進一步探索研究。基于多年現(xiàn)場實際工作經(jīng)驗，筆者對頂板管理提出了相應的管控措施，結合數(shù)學計算、實際壓力數(shù)據(jù)點采樣等方式，分析了地層綜合柱狀結構，上覆煤柱作用區(qū)域對直接頂?shù)膽η闆r，從有效支護角度、礦壓觀察、補強支護等角度對過上覆煤柱期間頂板管理，為減少冒頂事故、保障人身安全提供解決方案。

2 工作面頂板管理的一般辦法

為了保證開采安全，必須加強對工作面、端頭、兩順槽頂板的管理。除了從制度上加強管控外，技術上的管理顯得尤為重要。大量的現(xiàn)場作業(yè)和歷史經(jīng)驗表明，常用的管理手段可以歸納為以下三個方面：①嚴禁空頂作業(yè)，即在沒有任何支護或支護強度不夠的情況下進行作業(yè)；②保證支護質量，指工作面支架接頂良好，初撐力滿足技術要求，并且支架動作靈敏無故障；③補強和超前支護，是在工作面壓力激增，支護強度不足，或已經(jīng)出現(xiàn)冒頂、片幫等現(xiàn)象時，利用液壓單體、木點柱、支架進行的一種強化補救措施。

具體來說，工作面正常回采期間，為了避免空頂作業(yè)，要保證端面距符合作業(yè)規(guī)程要求，一般情況下不大于340 mm；兩順槽一般情況為矩形斷面，常采用“錨桿+ 鋼筋網(wǎng)片+錨索”支護方式，在運、回順20～30 m 范圍內超前支護液壓單體立柱；保證兩順槽架后懸頂面積小于10 m2，生產(chǎn)過程中要及時退錨索、錨桿，避免懸頂面積進一步擴大。實施退錨后仍不能有效消除懸頂，且懸頂面積大于10 m2時，采取高壓水預裂放頂或兩端頭施工沙袋墻。

支架結頂要嚴實，在保證頂板平整的情況下，保證頂梁于頂板充分接觸，如頂部有浮矸要及時清理。支架初撐力要達到252 bar，確保設備完好和正常運行，保證液壓系統(tǒng)無竄、漏液，支架動作靈活。

在特殊期間，如初采、末采、過集中煤柱、過薄基巖時，頂板極易出現(xiàn)冒頂、片幫等情況，冒頂超高段可采用錨桿、錨索、骨架網(wǎng)和錨索吊掛礦用工字鋼棚，并采用道木剎頂聯(lián)合支護。對于兩端頭，可以增加單體排數(shù)，多布置兩到三排，并適當調整柱間距來達到補強支護的效果。

3 過煤柱期間應力計算與實際對比

3.1 過煤柱期間應力計算

由于過煤柱期間作用范圍相對集中，導致頂板部分區(qū)域壓強瞬間增強，極易導致頂板破碎，發(fā)生垮落冒頂事故。工作面推進位置圖如圖1 所示。

以某綜采工作面過上覆順槽平行煤柱為例，假設煤柱寬20 m，上覆工作面巷道高5.5 m，煤柱長100 m，通過計算煤柱作用應力。計算公式為：

圖1 工作面推進位置圖

式（1）中：P 為煤柱作用應力，MPa；γ 為容重，1.3 t/m3；L為煤柱長度，100 m；h 為煤柱高度，5.5 m；W 為煤柱寬度，20 m；g 為重力加速度，9.8 N/kg；S 為煤柱接頂板面積，2 000 m2。經(jīng)計算得出P=0.07 MPa。

假設工作面上部含上覆煤層上部地層（主要成分砂巖、泥巖、黃土，厚70 m，密度近似為2.4 t/m3），上覆集中煤柱、老頂（20 m，密度近似為2.5 t/m3），作用在工作面直接頂上的集中應力P總。

式（2）中：P1為上覆煤層上部地層作用應力，MPa；γ1為上覆煤層上部地層容重，2.4 t/m3；h 為上覆煤層上部地層高度，70 m。經(jīng)計算得出P1=1.64 MPa。

式（3）中：P2為老頂應力，MPa；γ2為老頂容重，2.5 t/m3；h 為老頂高度，20 m。經(jīng)計算得出P2=0.49 MPa。

由于老頂上覆地層較為完成，節(jié)理未完全發(fā)育，自身具備一定支護強度，按照對外作用力30%取值，作用在直接頂上的總應力。P總=0.3P1+P+0.3P2=0.71 MPa。

對比工作面Ⅲ級3 類頂板0.78 MPa 的支護強度，當正常作業(yè)發(fā)生振動時極易出現(xiàn)冒頂?shù)惹闆r。因此過煤柱期間具有較大的安全風險。

3.2 過煤柱期間實際情況

以43101 工作面為例，推進到1 342 m 時，工作面出42216-1 上覆順槽煤柱。中部壓力明顯增大，直接頂容易出現(xiàn)漏冒現(xiàn)象，冒落高度為0.3 m 左右，頂板為泥巖，煤壁片幫明顯，伴隨有炸幫，安全閥開啟率3%～5%，70～170 架支架安全閥開啟率最高，壓力值最大達448 bar，立柱下縮量在2～5 cm，平衡千斤頂伸縮量在1～3 cm，支架頂梁仰角略微增大。通過實際證明，過煤柱時具有較大的安全風險。

4 過煤柱期間的安全技術措施

4.1 進入上覆集中煤柱前100 m

礦壓觀測：當工作面推進至上覆應力集中煤柱前100 m時，需要每班安排專人觀測礦壓，并做好觀測臺賬，在控制臺設礦壓觀測點，實行現(xiàn)場連續(xù)觀測，對工作面頂板情況班班抽查，并及時向主管科室匯報頂板動態(tài)和采空區(qū)懸頂情況，指導頂板管理工作，保證安全生產(chǎn)。

技術人員每推進50 m 做一次礦壓觀測總結，詳細記錄液壓支架控制系統(tǒng)（或壓力表）壓力值的變化情況，方便隨時掌握工作面礦壓狀況，并根據(jù)實際情況采取等壓、甩壓等措施。

如兩順槽頂板比較破碎，過煤柱期間，必須每天對運輸順槽及回風順槽頂板情況進行觀測、記錄，發(fā)現(xiàn)異常及時匯報并加強支護，保證頂板完好，預防冒頂傷人事故。

設備檢修：工作面推進至上覆應力集中煤柱前100 m 以內，對工作面設備進行全面檢修，重點更換壞的、舊的、保壓值低的安全閥和液壓鎖，保證每臺支架的推、拉、升、降動作靈敏，管路暢通，加強液壓系統(tǒng)的檢修和維護，保證所有液壓支架能夠達到初撐力，保證所有支架的立柱、平衡油缸完好，安全閥能夠正常開啟。推進過程中設備不得帶病運行，要保證當發(fā)生緊急情況需要運行時，工作面設備應該具備隨時運行的條件。

其他準備工作：做好過煤柱安全技術措施的全員宣貫工作。并對作業(yè)情況實時監(jiān)控，制圖記錄推進位置，標注清楚煤柱影響范圍。

4.2 進入上覆煤柱前50 m

要加大工作面及兩順槽排水能力，防止上覆采空區(qū)積水涌入工作面造成設備被淹，根據(jù)兩順槽高低情況選擇合適的低洼點設置水泵位置。

當工作面推進至上覆應力集中煤柱前5～10 m 以內，對工程質量進行逐漸調整，適當臥底擴大采高，調整高度根據(jù)實際需求而定；液壓支架支護狀態(tài)良好，接頂嚴密，初撐力和工作阻力不得低于設計值的80%，采用鄰架手動及時移架，以利于維護頂板。

4.3 進入上覆集中煤柱前30 m

根據(jù)刮板輸送機上竄下移情況開始對工作面進行加刀、甩刀調斜調整，過煤柱，在距離5 m 出煤柱位置時，保證機頭、機尾相差12～15 m 的推進度過煤柱。工作面調斜圖如圖2 所示。

4.4 進入上覆集中煤柱中

推進煤柱范圍內時，采高保證調整到作業(yè)規(guī)程要求范圍內，即保證來壓期間煤機能順利通過，又滿足支架推溜的最高采高。

圖2 工作面調斜圖

工作面生產(chǎn)推進過程中，如果出現(xiàn)設備故障導致停機，停機期間要安排專人對支架進行二次補壓，并定期巡查工作面頂板管理情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；如果故障停機期間工作面頂板狀況較差，組織人員提前將超前支架盡可能的拉出、頂在煤壁上，加固頂板和煤壁；當工作面壓力顯現(xiàn)強烈時要用單體和木點柱對支架增加輔助支撐，防止支架被壓架事故。

工作面生產(chǎn)推進過程中，安排爆破工全程跟班，不得擅自離崗，必須隨叫隨到，隨時對工作面出現(xiàn)的大塊矸石、煤塊進行放炮處理，處理前，要盡可能保證煤機停在機尾頂板條件較好的位置，從機尾進刀割煤，保證頂板冒落的矸石運輸暢通。

煤機司機要和支架工緊密配合，合理控制煤機割煤速度，保證支架工能夠實現(xiàn)跟機拉架。支架工拉架時，液壓支架頂梁必須全斷面接頂，達到初撐力，如初撐力不足時，對支架進行二次補壓。并根據(jù)頂?shù)装迤秸群侠碚{整平衡油缸伸縮量，保證支架的合理架型和支架頂梁接頂效果。

如頂板完整，支架滯后煤機前滾筒不大于5 架；如頂板破碎，支架要緊跟煤機前滾筒；如頂板有漏矸現(xiàn)象，在采高允許的情況下，支架工必須根據(jù)端面距盡可能超前拉架，并保證支架接頂效果。

出煤柱5 m 位置前，調整周期來壓步距，避免剩余5 m煤柱趕在周期來壓期間過。

工作面過上覆應力集中煤柱過程中，如果工作面某段出現(xiàn)頂板壓力過大導致有壓架事故或大面積冒頂?shù)奈ｋU時，要采取高壓區(qū)加刀、穩(wěn)壓區(qū)甩刀快速推進工作面的方式甩壓。

4.5 出煤柱后

出煤柱后5 m 內，采高仍然保持調整采高不變，觀察工作面壓力情況是否達到穩(wěn)定。

出煤柱5 m 后，如果工作面壓力穩(wěn)定了，采高逐漸調整開采高度。

5 結論

由于每個工作面的地質條件差別較大，直接頂及以上應力影響差別也很大，本文應力計算方法僅為概算，無法作為通用方法。但可以肯定的是，在工作面進入或出煤柱時，工作面應力增加明顯，安全風險較高，需要加大管控力度。

本文提供地安全管理措施為通用的管理辦法，如出現(xiàn)工作面飄溜起橋、溜子上竄下移嚴重、機頭堵大塊嚴重等情況，還需制定專門的安全措施進行處理。