馬脊梁礦綜放工作面壓架漏頂原因分析及治理方法

臧功卿

(大同煤炭職業技術學院，山西 大同 037003)

大同礦區石炭系C3-5號層特厚煤層埋深在200～500 m，煤層厚度大(10～30 m)、夾矸層數較多(2～13層)，普遍受火成巖不規則侵入，因而煤體整體結構完整性較差，硬度呈現下大上小的變化；同時煤層上覆有多層堅硬頂板，巖性以砂巖和礫巖為主；因而受C3-5號煤層原生環境的影響，再疊加其他地質構造的影響，在開采過程中，往往會遇到工作面漏頂和壓架的情況，本文以礦區內馬脊梁礦綜放工作面為例，對其發生壓架和漏頂的原因進行分析并提出對策。

1 工作面概況

馬脊梁礦C3-5號層8103綜放工作面設計可采長度400 m，傾向長度200 m，煤層平均厚12.75 m，共使用118架ZF13000/25/38型支架，工作面采高為3.5 m，放高9.25 m，采放比為1∶2.64，放煤方法為多輪分組間隔放煤法，采空區頂板采用自然垮落法處理。工作面直接頂為泥巖，老頂以砂巖和礫巖為主，底板為泥巖和砂巖，煤層傾角平均9°(6°～12°)，煤厚(含矸)10.45～15.5 m，其中純煤厚7.6 m，正常煤層中含夾矸2～6層，夾矸巖性為碳質泥巖，煤層上部有天然焦，天然焦含3～4層火層巖侵入體，導致頂煤疏松破碎，煤層整體f值由下向上變小，變化區間為2～0.5。工作面為三巷布置，分別為：2103膠帶巷、5103回風巷和8103頂抽巷，通風方式為“U+I”型。

2 壓架漏頂現象

8103工作面在回采期間周期來壓頻繁，來壓步距為10～15 m，來壓期間壓力顯現強烈，造成頂板管理困難，嚴重影響工作面正常回采。其中第8次周期來壓最為明顯，來壓位置為140 m，來壓步距為17 m，工作面20～100號支架壓力顯現強烈，整體頂煤破碎嚴重，80%的支架安全閥開啟；23～45號架前探梁垂頭，無法通過采煤機；采煤機在54號架處被支架壓住無法行走；62～66號架壓死，前立柱無行程；66號架前立柱雙柱底座箱打通；67號架前立柱雙柱柱窩損壞，支架主梁上方蓋板與柱窩結構件開焊裂縫；30～80號架支架前探梁背大矸，其中68～73號架對應煤壁超前1～1.5 m片幫，支架前探梁垂頭，頂煤破碎嚴重；前部刮板輸送機壓死，工作面不能正常推進，見圖1。

圖1 工作面來壓現狀

3 壓架漏頂原因分析

3.1 工作面切頂線前移

工作面為仰斜開采，仰斜角度最大超過10°，支架上方頂煤容易滑落，初撐力管理困難。依據現場煤壁片幫1～1.5 m，可判斷基本頂斷裂線在煤壁前方1～1.5 m外破斷，破斷形成的結構塊作用在煤壁或支架前端，從而引起支架前端受力栽頭，導致支架失效，并加速頂煤和頂板的不穩定，以及頂煤上部大塊巖石沿支架端垮落下來。具體為周期來壓前，基本頂為懸臂結構，周期來壓后，懸臂結構斷裂形成結構塊體，該塊體長度一般為基本頂來壓步距，上方不穩定巖層的載荷同時作用在該結構塊體上方，該結構塊的前端作用在煤壁和支架前部，導致煤壁片幫和支架前端過載而后端空載，從而導致支架栽頭，使支架上方失穩的大塊巖石通過支架前端向機道漏冒，從而造成生產的被動局面。

3.2 工作面開采達到充分采動條件

8103工作面平均埋深超過520 m，埋深較大，且為單翼連續開采的第三個工作面，達到了該條件下的充分采動條件，采場壓力最大。具體為：工作面南部分別為8101采空區和8101-1采空區，開采順序為8101工作面—8101-1工作面—8103工作面，3個工作面斜長總和為623 m。8101工作面和8101-1工作面開采后地表巖層未達到充分采動，8103開采后，工作面斜長達到623 m，為埋深的1.2倍，地表巖層達到充分采動，充分采動條件為：開采范圍/埋深等于1.2～1.5。

3.3 工作面受上覆高位關鍵層影響

煤層上方50 m范圍內賦存有3層厚度超過11 m的砂巖和砂礫巖，為堅固完整的巖層，不容易破斷，在采場空間易形成較長的懸臂梁結構，屬于高位關鍵層，見圖2。

圖2 地質鉆孔柱狀圖

4 壓架及漏頂綜合治理方法

4.1 臨時處理方法

在液壓支架前端，采用單體液壓柱臺棚輔助支撐方法，對支架進行逐架修復至正常狀態；支架狀態以頂梁向上10～15°為宜，此時支架受力最為有利，當支架恢復到正常狀態后，單體支柱即可拆除；在恢復支架的過程中要確保運輸機正常運轉，能夠隨時處理片幫以及垮落的大塊煤矸；要嚴格支架管理，確保采高不超3.3 m(最小過機高度)；嚴格控制最小控頂距，必要時要在極破碎區域固結煤壁。

4.2 長期治理方法

為了從根本上解決礦壓顯現問題，提出弱化關鍵層頂板的治理思路，目前煤礦常用的頂板弱化方法有：地面鉆孔水力壓裂頂板、同層水平鉆孔水力壓裂頂板、巷道步距預裂爆破頂板和施工工藝巷預裂爆破頂板。由于工作面一側為采空區，另一側工作面已回采140 m，巖體結構完整性破壞，水壓致裂容易發生高壓水泄露，達不到壓裂效果，宜采用頂板預裂爆破方式弱化頂板的方案。

5 頂板預裂爆破方案及比較

5.1 兩巷打孔預裂爆破方案

在兩巷進行打孔預裂爆破頂板，鉆孔長度較長，且需穿過煤層，根據以往長鉆孔預裂爆破施工經驗，鉆孔深度超過60 m后受鉆孔偏鉆、炸藥重量增加、鉆孔變形等影響，裝藥施工困難，因此鉆孔深度不宜超過60 m。

鉆孔工程量：按照鉆孔垂距或終孔間距不超過12 m進行設計，每組需要8個爆破鉆孔，爆破鉆孔參數見表1，每組鉆孔進尺為375.2 m，末采30 m不放煤，兩巷207 m范圍內需要施工爆破鉆孔，需施工30組鉆孔，合計鉆孔進尺11 256 m。兩巷預裂爆破鉆孔布置見圖3。

圖3 兩巷預裂爆破鉆孔布置示意

表1 爆破鉆孔參數

5.2 施工工藝巷打孔預裂爆破頂板方案

工藝巷工程量：沿煤層頂板在工作面65號支架上方施工一條工藝巷，巷道沿煤層頂板掘進，巷道斷面4 m×3 m，巷道自5103巷通尺101 m開口，與5103巷夾角45°水平施工33 m至8103頂抽巷下部，然后按6°仰角施工80 m揭露煤層頂板，最后沿5103巷平行施工285 m，共計需要483 m煤巷。

鉆孔工程量：按照鉆孔垂距或終孔間距12 m進行設計，每組需要8個爆破鉆孔，爆破鉆孔參數見表2，每組鉆孔進尺為357.3 m，末采30 m不放煤，共計有207 m工藝巷需要施工爆破鉆孔，需施工30組鉆孔，合計鉆孔進尺10 719 m，工藝巷預裂爆破鉆孔布置見圖4。

表2 爆破鉆孔參數

5.3 方案對比分析及建議

通過表3方案比較可知，采用工藝巷預裂爆破弱化頂板效果較好，每組鉆孔進尺357.3 m，鉆孔總進尺10 719 m，煤巷總進尺483 m，該方案鉆孔淺，裝藥容易，不易出現炸藥無法送入孔底的情況。在工藝巷內施工，不受其他設備管路影響，并且能夠有效弱化最易出現漏頂壓架的中部支架頂板，但施工483 m工藝巷，預計需要約20 d時間；而在兩巷預裂爆破無法有效對中部頂板進行弱化，煤柱鉆孔進尺375.2 m，鉆孔總進尺11 256 m，雖然不用掘進煤巷，但煤層中的鉆孔容易出現變形影響裝藥，且施工受膠帶、單體柱等設備管路影響嚴重。

表3 工藝巷打孔預裂爆破與兩巷打孔預裂爆破方案對比

6 結 語

1) 工作面發生壓架及漏頂的原因主要是由于受煤層上覆高位關鍵層斷裂、開采達到充分采動條件、仰斜開采切頂線前移及煤層本身結構整體完整性較差綜合影響造成的。

2) 為治理壓架及漏頂，應首先在液壓支架前端采用單體液壓柱臺棚輔助支撐方法逐架將受壓支架修復至正常狀態，但為了從根本上解決礦壓顯現問題宜采用弱化關鍵層頂板的治理方法。

3) 建議采用施工工藝巷的方式對頂板進行預裂爆破，能夠有弱化工作面中部頂板巖層，減小周期來壓步距，降低周期來壓強度，解決采場中部壓架漏頂問題，且施工便利、安全性高、預期效果好。