采煤工作面初次放頂?shù)募夹g(shù)管理探究

姜奇

（畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校）

采煤工作面初次放頂?shù)募夹g(shù)管理探究

姜奇

（畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校）

采煤工作具有較高的危險(xiǎn)性，為了保證煤礦生產(chǎn)的安全性，在初次放頂期間，專(zhuān)業(yè)人士要實(shí)時(shí)監(jiān)控頂板的活動(dòng)規(guī)律，正確計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值。采用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法分析礦壓，并在此基礎(chǔ)上對(duì)初次放頂狀況進(jìn)行分類(lèi)。為了保證煤礦采煤工作面初次放頂技術(shù)的有效實(shí)施，需要采用各種創(chuàng)新手段。因此，加強(qiáng)初次放頂技術(shù)對(duì)保障生產(chǎn)的安全性有著極其重要的作用。

初次放頂技術(shù)；煤礦采煤；解決措施

引言

在采煤工作面初次放頂作業(yè)中，需要按照國(guó)家及當(dāng)?shù)氐囊?guī)范要求做好頂板管理工作，是防止頂板冒落的有效措施。在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，由于未準(zhǔn)確采集頂板高度、頂板類(lèi)型、老頂斷裂等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，導(dǎo)致放頂參數(shù)與實(shí)際情況不符，在操作過(guò)程中極易出現(xiàn)頂板冒落等安全事故，使得初次放頂?shù)幕夭陕蔬_(dá)不到80%。為此，本文將基于初次放頂需求，合理設(shè)計(jì)放頂距離、放頂高度等放頂參數(shù)，繼而通過(guò)規(guī)范有效的技術(shù)措施來(lái)提高煤炭回采率和井下作業(yè)時(shí)的安全系數(shù)，以期同時(shí)滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)效益和安全效益兩方面的需求。

1 頂板在初次放頂期間存在的隱患

在頂板工作面逐漸推進(jìn)的過(guò)程中如果沒(méi)有冒落，就是使得懸頂?shù)拿娣e不斷擴(kuò)大，一旦懸頂?shù)拿娣e達(dá)到最大程度時(shí)，很容易發(fā)生直接頂來(lái)壓時(shí)突然冒落。具體危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①頂、順槽底和兩幫的移動(dòng)量加大，使斷面的通風(fēng)狀況不能得到保障。②極易出現(xiàn)工作面片幫、掉頂?shù)臓顩r。③當(dāng)發(fā)生冒落時(shí)，頂板的懸空面積大，冒落時(shí)產(chǎn)生的氣流會(huì)造成人員傷亡。④支架立柱的下縮量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)驟增，工作人員很有可能會(huì)出現(xiàn)傷亡，同時(shí)也會(huì)造成相關(guān)的其他設(shè)備被冒落的頂板損壞。由于采煤面的支架阻力不能與巖梁抗衡，頂板容易發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致大面積的工作面被壓垮，甚至?xí)?duì)工作人員構(gòu)成生命威脅，因此，做好頂板的管理工作是十分必要的。①要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤面的初次放頂狀況，通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)掌握直接頂?shù)臄嗔堰\(yùn)動(dòng)規(guī)律。②掌握采煤工作面的巖層性質(zhì)和范圍。③要有專(zhuān)業(yè)人員能夠準(zhǔn)確地判斷礦壓的顯現(xiàn)狀況。④要建立相關(guān)的規(guī)章制度和科學(xué)組織專(zhuān)業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)會(huì)診活動(dòng)。

2 采煤工作面初次放頂具體技術(shù)管理措施

2.1 初次放頂參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 初次放頂距離

有部分頂板材料的質(zhì)地比較堅(jiān)硬，在開(kāi)采之后頂板不會(huì)全范圍地冒落，在上方形成懸頂，如果沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行合理的處理，則會(huì)對(duì)具體施工帶來(lái)較大的安全隱患。面對(duì)此種情況，就需要以人工初次放頂?shù)姆绞綄?duì)其進(jìn)行處理。根據(jù)一定礦壓觀測(cè)以及開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)可以了解到，在開(kāi)采自切眼推進(jìn)之后，會(huì)在頂板處形成一個(gè)簡(jiǎn)支梁，該梁載荷分布均勻，其支點(diǎn)主要在切眼煤壁以及采面煤壁上，若是因?yàn)榭缍却笫沽核哂械恼龖?yīng)力達(dá)到了破壞值，就會(huì)使頂板因?yàn)槭艿狡茐亩缏?，而這也稱(chēng)之為頂板的初次來(lái)壓。同時(shí)，如果上層頂板下沉量小于下層頂板的下沉量，就可以認(rèn)為兩者之間不會(huì)產(chǎn)生影響，而如果情況相反，那么則說(shuō)明上層頂板所具有的重量會(huì)作用到下層頂板。在這種情況下，則需要在開(kāi)展正常挑頂工作的同時(shí)在推進(jìn)一定距離之后再?gòu)?qiáng)化人工挑頂力度，進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2.1.2 放頂高度

所謂人工強(qiáng)制放頂，就是通過(guò)爆破法強(qiáng)制性地使頂板分離，使之充分冒落形成墊層，然后逐步削弱冒落情況下產(chǎn)生的沖擊荷載以及頂板壓力。一般來(lái)講，采空區(qū)中矸石充填程度達(dá)到采空和放頂高度之和的3/2，就可以達(dá)到預(yù)期效果。在實(shí)際施工中，主要通過(guò)下列公式來(lái)確定放頂高度：

式中：H代表放頂高度；M代表采高；kp代表直接頂冒落巖石初始碎脹系數(shù)。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的帶入計(jì)算，即能夠獲得合理的打眼深度。

2.2 初次來(lái)壓前礦壓觀測(cè)

2.2.1 頂板斷裂前煤壁前方支承壓力顯現(xiàn)

隨著切眼工作逐漸開(kāi)展，頂板懸漏面積不斷增大，當(dāng)頂板懸漏面積達(dá)到一定跨度，就會(huì)出現(xiàn)撓曲以及下沉等現(xiàn)象，并因此使作用在煤壁前方的支撐壓力得到了逐漸的提升，且上下巷距離煤壁不同點(diǎn)的頂板下沉速度也會(huì)逐漸加快。煤壁前方的頂板一般是最先斷裂，使得支撐壓力迅速向煤壁一側(cè)收縮，上下平巷的頂板速度也隨之升高，而隨著頂板來(lái)壓的出現(xiàn)，上下巷內(nèi)兩幫測(cè)壓則會(huì)逐漸增大，片幫加劇，斷面縮小。

2.2.2 頂板斷裂前采面內(nèi)礦壓顯現(xiàn)

回采面的相關(guān)工作是從工作面的內(nèi)部開(kāi)始的，按照15m的間距設(shè)置一條測(cè)線，以實(shí)時(shí)觀測(cè)初排、末排的礦壓變化情況。一般情況下，初排下沉速度及支承壓力小于末排。若頂板斷裂，支承壓力高峰向煤壁收縮，使得初排快速下沉，預(yù)示頂板即將來(lái)壓。而后當(dāng)末排的頂板下沉速度又大于初排時(shí)，表明已經(jīng)出現(xiàn)了頂板來(lái)壓現(xiàn)象。與此同時(shí)，采面煤壁壓酥，打炮眼極易片幫，支柱阻力增大，支柱鉆底，頂板開(kāi)裂，裂紋方向與煤壁平行，導(dǎo)致夾溝或臺(tái)階下沉，且伴有巷道淋水現(xiàn)象。

2.2.3 頂板斷裂前采空區(qū)懸頂狀況

在對(duì)頂板煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，冒落頂板巖往往具有著不同的體積以及形狀，而在老頂出現(xiàn)斷裂情況之前，在支撐壓力作用的影響下就會(huì)使巖石具有較為規(guī)則的特點(diǎn)，煤層如圖1所示。在對(duì)老頂巖梁活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行掌握的基礎(chǔ)上，則可以通過(guò)對(duì)礦壓數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)不同巖梁的活動(dòng)情況進(jìn)行分析，并在找到老頂梁斷裂位置的基礎(chǔ)上對(duì)礦壓顯現(xiàn)特征以及規(guī)律進(jìn)行評(píng)判，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)放頂結(jié)果的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖1 煤層柱狀圖

2.3 初次放頂頂板控制

2.3.1 直接頂控制

在初次放頂活動(dòng)過(guò)程中，在面對(duì)直接頂時(shí)，需要以“限定變形”的準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)施，即保證老頂同直接頂之間不會(huì)出現(xiàn)范圍較大的離層，并保證在控頂區(qū)中對(duì)直接頂?shù)耐暾宰龊帽ＷC，避免其出現(xiàn)臺(tái)階下沉的情況。之所以采取這種操作形式：①避免直接頂在發(fā)生破碎情況時(shí)由于回柱以及漏冒頂板出現(xiàn)傷人情況；②避免老頂在來(lái)壓情況時(shí)因?yàn)閷?duì)直接頂產(chǎn)生一種沖擊作用而使其出現(xiàn)切頂跨面的情況。對(duì)此，就需要從切眼推進(jìn)環(huán)節(jié)就開(kāi)始嚴(yán)格監(jiān)測(cè)初排支柱初撐力，每次放頂回柱前必須對(duì)支柱給壓，以提高支柱的支撐能力。為了保障該項(xiàng)工作的效果，則需要在對(duì)支柱支設(shè)質(zhì)量以及維修質(zhì)量進(jìn)行保障的基礎(chǔ)上保證泵壓壓力始終處于15MPa以上、每班對(duì)初排支柱進(jìn)行二次注液。支柱的支撐能力只有符合設(shè)計(jì)要求，才可以在“限定狀態(tài)”下工作，使直接頂?shù)臓顟B(tài)由支架限力限定，把頂板下沉控制在支柱縮量和頂板允許彎曲值以?xún)?nèi)，不發(fā)生頂板破碎冒頂事故。

2.3.2 老頂控制

初次放頂時(shí)，直接頂初次垮落到老頂初次垮落階段，不僅需要對(duì)直接頂做好管理工作，也需要嚴(yán)格監(jiān)控老頂冒落情況，確保老頂能隨著采面推進(jìn)。在放頂過(guò)程中，當(dāng)老頂跨度達(dá)到極限而出現(xiàn)下沉以及撓曲的現(xiàn)象，直接頂就會(huì)隨之下沉。根據(jù)這種特征，在對(duì)礦井特點(diǎn)以及礦壓規(guī)律進(jìn)行把握的基礎(chǔ)上，則需要對(duì)老頂來(lái)壓情況做好預(yù)報(bào)以及預(yù)測(cè)工作。即在保證基本柱齊全、且確保其所具有的支撐能力能夠滿(mǎn)足要求的基礎(chǔ)上，使好戧柱和采用軟幫密集柱等特殊支護(hù)來(lái)提高支護(hù)強(qiáng)度，使支架在老頂“給定變形”的狀況下能夠更好的對(duì)自身作用進(jìn)行發(fā)揮，避免出現(xiàn)大范圍的工作面推垮事故，以此對(duì)老頂初次來(lái)壓階段進(jìn)行安全的渡過(guò)。此外，當(dāng)老頂斷裂垮落后，作用于煤壁前方的支承壓力高峰向深部轉(zhuǎn)移，采面和上、下兩道礦壓顯現(xiàn)減弱，采面進(jìn)入正常管理階段，初次放頂宣告結(jié)束。但是在該種情況下，依然需要對(duì)直接頂做好管理與控制，避免其局部出現(xiàn)冒頂事故。

2.4 開(kāi)切眼技術(shù)管理

采煤工作面的開(kāi)切眼工作實(shí)際上是指在煤層中做好巷道開(kāi)掘。圍巖在開(kāi)切眼過(guò)后會(huì)產(chǎn)生空間移動(dòng)甚至變形，降低巖體強(qiáng)度，當(dāng)原煤巖體的平衡狀態(tài)在一定程度上受到破壞時(shí)，就會(huì)在一定的范圍內(nèi)形成圍巖破裂帶，稱(chēng)之為圍巖松動(dòng)圈。開(kāi)切眼的強(qiáng)度最好能夠固定住圍巖松動(dòng)圈，適應(yīng)數(shù)次的動(dòng)壓影響。在支護(hù)材料和支護(hù)強(qiáng)度上應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)，避免采動(dòng)支撐壓力受到開(kāi)切眼松動(dòng)圈的影響發(fā)生改變。除此之外，采用單體液壓支柱的方法支護(hù)開(kāi)切眼，需要每日進(jìn)行兩次注液，保證初撐力大于90kN。另外，也可以運(yùn)用摩擦支柱的方法，保證初撐力不小于30kN。開(kāi)切眼的頂板最重要的是完整性，這有利于加強(qiáng)頂板的后期管理。

3 采煤工作面初次放頂技術(shù)管理注意事項(xiàng)

通常將初采工作面切眼與直接頂冒落之間所達(dá)高度的1.5～2倍的垮落稱(chēng)之為初次放頂。這一階段主要包括從切眼到直接頂垮落和直接頂垮落到老頂?shù)谝淮慰迓鋬蓚€(gè)方面。初次放頂根據(jù)其頂板類(lèi)別的不同主要分為自行冒落和強(qiáng)制放頂兩種情況。其中，自行冒落是指當(dāng)采煤工作面推進(jìn)到一定距離之后，在冒落高度達(dá)到采高高度時(shí)能夠自行冒落，強(qiáng)制放頂是指頂板不能自行冒落或者達(dá)不到冒落高度時(shí)，需要采用強(qiáng)制放頂。

3.1 直接頂自行冒落的初次放頂

可自行冒落的直接頂一般為整體性較差的節(jié)理發(fā)育頂。當(dāng)直接頂能夠充分垮落時(shí)，其老頂斷裂下沉層下會(huì)出現(xiàn)松軟的直接頂，由于其中下層上部的劣質(zhì)煤極易產(chǎn)生離層、破碎和冒落現(xiàn)象，又容易發(fā)生采煤工作面坍塌的情況，所以必須保證有足夠的支撐力。

3.2 直接頂?shù)膹?qiáng)制初次放頂

由于直接頂厚度薄，老頂巖石具有堅(jiān)硬、致密、整體性強(qiáng)的特點(diǎn)，其初次垮落距不能達(dá)到自行冒落的范圍，只能強(qiáng)制初次放頂。這種情況下，要注意壓垮型冒頂事故的發(fā)生。

3.3 人工強(qiáng)制初次放頂

人工強(qiáng)制初次放頂針對(duì)于不易垮落的頂板，強(qiáng)制放頂需要確定放頂步距、放頂高度，采用相應(yīng)的放頂方法進(jìn)行強(qiáng)制初次放頂。①在工作面開(kāi)采之后，由于頂板較為堅(jiān)硬不能自行冒落，而且形成大面積的懸頂，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。②爆破法是強(qiáng)制放頂中常用的一種方法，主要機(jī)理是采用爆破手段將頂板切斷，以此令頂板冒落層形成墊基層，這種方法能夠大大減弱頂板壓力和頂板冒落時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力。③對(duì)放頂方法的選擇，人工強(qiáng)制放頂要注意對(duì)礦壓的觀測(cè)，通過(guò)對(duì)礦壓的觀測(cè)可以得出與頂板動(dòng)態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)圖，從圖上分析找出二者的一般規(guī)律，以準(zhǔn)確地找出斷裂位置，更好地開(kāi)展初次放頂工作。

3.4 初次放頂時(shí)的頂板控制

因?yàn)槌醮畏彭敃r(shí)存在諸多安全隱患，所以相關(guān)工作人員要嚴(yán)格對(duì)直接頂與老頂進(jìn)行頂板控制。對(duì)于直接頂?shù)捻敯蹇刂浦饕笫潜ＷC直接頂與老頂之間離層間隔不能太大，對(duì)老頂?shù)捻敯蹇刂埔笤谟诶享數(shù)臉O限跨度，避免其出現(xiàn)撓曲、下沉現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

在采煤工作開(kāi)展的過(guò)程中，工作面初次放頂是非常重要的一項(xiàng)工作，對(duì)于采煤效率、質(zhì)量以及安全性都具有非常重要的影響。上文對(duì)采煤工作面初次放頂?shù)募夹g(shù)管理方式進(jìn)行分析與探究，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與意義。

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[2]袁志強(qiáng).煤礦采煤工作面初次放頂技術(shù)管理問(wèn)題探討[J].中國(guó)科技博覽，2012，33：374.

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TD327.2

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2016-2-10