淺埋深近距離煤層工作面出煤柱壓架機(jī)理及防治措施

祝凌甫 郭守泉 曲秋揚(yáng)

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013)

東勝煤田煤層賦存簡單，埋深多在100m以內(nèi)，為近水平煤層。淺埋深煤層工作面具有來壓強(qiáng)烈，動(dòng)載系數(shù)大，頂板易沿煤壁切落的特點(diǎn)，易造成地表臺階下沉；近距離煤層開采時(shí)，上煤層開采完畢后常常遺留較多煤柱，由于工作面布置方式的影響，給下煤層開采時(shí)帶來強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，出煤柱階段更為明顯。凱達(dá)煤礦6-2305工作面于2014年9月15日零點(diǎn)班出煤柱時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈來壓，造成支架快速下沉，頂梁下降致使采煤機(jī)無法繼續(xù)割煤，工作面暫停生產(chǎn)，之后工作面全斷面逐漸來壓，造成全工作面壓架事故。

以往的文獻(xiàn)報(bào)道中，多為對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，部分研究分析了關(guān)鍵層形不成穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)而造成強(qiáng)烈動(dòng)載現(xiàn)象和覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并未分析工作面出煤柱開采前后的區(qū)別與變化。本文針對凱達(dá)煤礦6-2305工作面出煤柱時(shí)的壓架問題進(jìn)行了內(nèi)在機(jī)理分析，并提出合理的預(yù)防措施。

1 工作面基本條件與壓架概況

6-2305工作面煤厚為1.30～1.88m，為近水平煤層。工作面走向長1684m，傾向長219m。工作面北鄰6-2東輔運(yùn)大巷，西部為6-2304工作面 (已回采)，東部為6-2306準(zhǔn)備面，上部是6-2上305采空區(qū)，上下層工作面成重疊布置，下層切眼距上層切眼240m，工作面布置平面圖如圖1所示，工作面層間距平均為11.48m，頂?shù)装鍡l件見表1。2014年9月15日零點(diǎn)班機(jī)頭推進(jìn)246m，機(jī)尾推進(jìn)242m，工作面整體推出煤柱區(qū)，此時(shí)，17?！?1＃支架、85?！?2＃支架、105＃～107＃支架發(fā)生壓架，采煤機(jī)行走空間不夠，只能停機(jī)，上覆巖層繼續(xù)破斷垮落，最終致使全工作面發(fā)生壓架，影響生產(chǎn)近1個(gè)月，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 工作面布置平面圖

表16-2305工作面主要煤巖層分布表

2 壓架機(jī)理分析

2.1 關(guān)鍵層巖塊破斷機(jī)理分析

了解壓架機(jī)理，必須分析關(guān)鍵巖層的破斷規(guī)律。根據(jù)表1的具體情況，并利用關(guān)鍵層理論，可得出該工作面的關(guān)鍵層層位，分別為4.10m厚的粉砂巖層和3.40m厚的細(xì)粒砂巖層，即第一關(guān)鍵層和第二關(guān)鍵層。

圖2 巖層垮落及壓架示意圖

受工作面布置的影響，6-2305工作面切眼距離上煤層切眼240m，因此，6-2305工作面起初開采時(shí)在煤柱下方。隨著工作面的推進(jìn)，第二關(guān)鍵層破斷為巖塊，并垮落，第一關(guān)鍵層隨之破斷垮落，巖層垮落示意圖見圖2(a)。第一關(guān)鍵層破斷垮落時(shí)，垮落巖層厚度大、強(qiáng)度高，表現(xiàn)為來壓。此時(shí)，兩關(guān)鍵層隨工作面的推進(jìn)均為破斷回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，形式一致，分析其失穩(wěn)過程。取巖塊B1和B2為例分析。

關(guān)鍵層巖塊破斷回轉(zhuǎn)過程有3個(gè)過程，即上部拉裂、回轉(zhuǎn)、擠壓變形。當(dāng)B1和B2間擠壓應(yīng)力小于巖塊自身及其上覆巖層容重時(shí)，巖塊發(fā)生垮落，分析該情形發(fā)生的條件。取B1進(jìn)行受力分析，巖塊B1受力示意圖如圖3所示。巖塊回轉(zhuǎn)后狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，存在∑MO＝0，則

圖3 巖塊B1受力示意圖

式中:T——相鄰巖塊提供的擠壓力，kN；

h——破斷巖塊的高度，m；

a——擠壓處的高度，m；

α——擠壓角，(°)；

l——破斷巖塊的長度，可認(rèn)為來壓步距，m；

q——破斷巖塊的均布載荷，kN／m。求解式 (1)，得到

分析該巖塊在垂直方向上的受力為:

式中:F——巖塊自重與相鄰巖塊間的摩擦力的合力，kN；

f——相鄰巖塊對B1的摩擦力，kN；

μ——巖塊間摩擦系數(shù)，取0.35。

第一項(xiàng)為自身及上覆巖層載荷，后一項(xiàng)為擠壓力產(chǎn)生的摩擦力。一般a和α均較小。此時(shí)，式(3)可簡化為:

分析式 (4)，得出當(dāng)巖塊長高比l／h＞0.286時(shí)，F(xiàn)＜0，巖塊不會發(fā)生垮落；當(dāng)l／h＜0.286時(shí)，F(xiàn)＞0，則巖塊發(fā)生垮落?？紤]本工作面第一、二關(guān)鍵層厚度及平均來壓步距 (10～16m，平均13m)，則當(dāng)l／h＝3.17～3.82，即本工作面在煤柱下方推進(jìn)時(shí)，造成巖塊破斷回轉(zhuǎn)而鉸接，存在擠壓力T時(shí)，巖塊B1不會發(fā)生垮落；而當(dāng)B2、B3巖塊發(fā)生相對回轉(zhuǎn)時(shí)，B2巖塊右側(cè)下沉，B1和B2接觸點(diǎn)消失，T隨之消失，此時(shí)B1巖塊垮落。因此，B1巖塊的垮落取決于B2、B3巖塊的破斷回轉(zhuǎn)。

2.2 推進(jìn)過程中壓架分析

關(guān)鍵層隨工作面推進(jìn)時(shí)的破斷、垮落過程:

(1)在煤體下方推進(jìn)時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)至B2巖塊下方時(shí)，B1和B2巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)，根據(jù)前述內(nèi)容，B1不會垮落；A1和A2巖塊隨B1和B2回轉(zhuǎn)發(fā)生相對回轉(zhuǎn)；當(dāng)工作面推進(jìn)至B3巖塊下方時(shí)，B2和B3巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)，此時(shí)，B1巖塊垮落；第一關(guān)鍵層中A2和A3巖塊也滯后發(fā)生相對回轉(zhuǎn)，隨之A1垮落，工作面形成來壓，來壓顯現(xiàn)不明顯。

(2)出煤柱時(shí)，壓架示意圖如圖2(b)所示，假設(shè)工作面推進(jìn)至B4巖塊下方，則B2發(fā)生垮落，A2滯后隨之垮落。此時(shí)，A3巖塊左側(cè)的A2已垮落，兩者不具有擠推力T；A3巖塊右側(cè)為上層采空區(qū)頂板，已發(fā)生破斷垮落，亦無法提供擠推力T。同時(shí)，B3和B4發(fā)生相對回轉(zhuǎn)，使得A3巖塊具有下沉空間，又由于A3巖塊右側(cè)無擠推力T使其形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，在A2巖塊垮落時(shí)，A3巖塊同時(shí)垮落，表現(xiàn)為大范圍的切頂冒落，造成壓架事故的發(fā)生。

3 礦壓顯現(xiàn)分析

根據(jù)工作面支架壓力記錄儀采集的支架工作阻力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用其平均值和均方差之和作為來壓判據(jù)，選取工作面9＃(機(jī)頭架)、79＃(中間架)、149＃(機(jī)尾架)的實(shí)時(shí)礦壓數(shù)據(jù)，得到工作面來壓曲線圖，見圖4。

圖4(a)(c)顯示，兩端頭來壓特點(diǎn)為正常回采期間兩端頭來壓步距大，動(dòng)載系數(shù)小，來壓顯現(xiàn)不明顯；來壓期間動(dòng)載系數(shù)大，來壓強(qiáng)烈且持續(xù)時(shí)間長。壓架時(shí)，來壓強(qiáng)度達(dá)到安全閥開啟值，遠(yuǎn)大于平時(shí)來壓值，符合前述分析結(jié)果。

圖4(b)顯示，工作面中部來壓特點(diǎn)為正?；夭善陂g，工作面中部來壓步距小，來壓強(qiáng)度高；多次來壓發(fā)生在上午8點(diǎn)以后，即檢修班期間；來壓強(qiáng)度均接近支架的最大工作阻力，支架工作阻力富裕系數(shù)較小；壓架時(shí)，所有支架的安全閥開啟，且采用的單一大流量安全閥使得來壓時(shí)支架快速下降，減小采煤機(jī)行走空間。

4 工作面壓架預(yù)防措施

(1)造成A2和A3巖塊同時(shí)垮落的主要因素為擠推力T與A3巖塊的下沉空間。擠推力主要受關(guān)鍵層巖塊的長厚比、巖塊間摩擦系數(shù)等因素決定，不受人為影響。故在工作面剛推進(jìn)至B4巖塊時(shí)，采用填充法延緩A3巖塊下沉，預(yù)防壓架事故；

圖4 工作面部分支架來壓曲線

(2)通過增大支架中心距，進(jìn)一步增大支架的額定工作阻力，提高支架的工作阻力富裕系數(shù)；

(3)采用大小安全閥，當(dāng)工作面來壓時(shí)，小安全閥首先開啟，支架下降速度較慢，給采煤機(jī)前行提供時(shí)間和空間；來壓過于強(qiáng)烈，大安全閥開啟，保護(hù)支架立柱不受損壞；

(4)在工作面強(qiáng)烈來壓時(shí)，適當(dāng)提高割煤高度，延緩支架下降時(shí)間，給采煤機(jī)通過壓力帶創(chuàng)造時(shí)間；

(5)觀測礦壓數(shù)據(jù)，對工作面來壓及時(shí)預(yù)報(bào)，并保證支架的初撐力，縮短檢修時(shí)間，增加割煤時(shí)間，順利度過來壓段。

5 結(jié)論

(1)在破斷巖塊間存在擠推力T時(shí)，巖塊難以垮落；正常開采時(shí)，第一關(guān)鍵層巖塊滯后第二關(guān)鍵層巖塊垮落；出煤柱時(shí)，由于擠推力的消失，造成第一關(guān)鍵層A2和A3巖塊的同時(shí)垮落，造成壓架事故的發(fā)生。

(2)在出煤柱進(jìn)入B4巖塊時(shí)，填充B3巖塊下方采空區(qū)，減小甚至杜絕A3下沉空間；進(jìn)一步提高支架的工作阻力，增大富裕系數(shù)；采用大小安全閥，降低支架下降速度；提高割煤速度，增大支架的下降空間；對工作面來壓進(jìn)行及時(shí)預(yù)報(bào)，保證初撐力，減少離層，對工作面進(jìn)行調(diào)斜，使工作面逐段推過壓力區(qū)，防止工作面再次壓架事故的發(fā)生。

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