綜放面壓架事故及其防治技術(shù)

楊 春

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦綜放工作面支架被壓死或壓壞的一個主要原因就是工作面支架工作阻力不夠。當(dāng)工作面直接頂不能充填滿采空區(qū)時，頂板下沉空間大，而支架的工作阻力不能保證頂板的控制位態(tài)；支架的活柱縮量不能滿足頂板完全著矸的工作面頂板下沉量。另外，工作面生產(chǎn)管理不到位，當(dāng)工作面生產(chǎn)狀況較差時，頂板出現(xiàn)大范圍的回轉(zhuǎn)運動。以上現(xiàn)象的出現(xiàn)容易引發(fā)綜放面壓架事故[1-2]。針對礦井的實際條件，采取針對性預(yù)留頂煤煤柱技術(shù)來控制頂板，在技術(shù)實施可行性和經(jīng)濟(jì)效益方面都具有重大優(yōu)勢[3-4]。

1 頂板壓架事故概述

水峪礦井自2011年2月21日開始生產(chǎn)，在初采和正?；夭呻A段，工作面頂板呈現(xiàn)分階段分區(qū)域垮落，曾發(fā)生多次工作面支架被壓死和壓壞的事故。工作面頻繁的壓架事故源于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和生產(chǎn)的不規(guī)范性[3]。分析認(rèn)為工作面支架被壓死和壓壞主要有兩種形式，一是由于工作面頂煤破碎，且在生產(chǎn)過程中被過分放出，頂板運動空間大，工作面支架上方不能接頂形成空頂，當(dāng)工作面老頂大范圍回轉(zhuǎn)運動時，對支架形成一定的沖擊，導(dǎo)致支架壓死或壓壞[4]。二是由于工作面回采厚度大，導(dǎo)致垮落的直接頂不能有效地充填采空區(qū)，工作面基本頂在運動空間大，當(dāng)工作面支架阻力不能滿足基本頂?shù)目刂莆粦B(tài)或支架活柱縮量不能滿足工作面頂板下沉量時[5]，在未著矸之前，基本頂會持續(xù)下沉，導(dǎo)致工作面支架被壓死或壓壞。

2 頂板運動的壓力顯現(xiàn)預(yù)測

61052工作面采用ZF15000/26/42型四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架，設(shè)備安裝時，按照支架出廠設(shè)置參數(shù)，初撐力為 12 778 kN（P=31.4 MPa），支架工作阻力為15 000 kN（P=36.86 MPa），支護(hù)強(qiáng)度為1.45 MPa。2011年5月12日前，工作面基本支架安全閥開啟壓力為36.86 MPa，由于工作面經(jīng)常出現(xiàn)壓壞支架和架前漏煤壓死前部運輸機(jī)情況，對頂板的控制效果不好。5月12日之后，經(jīng)過研究決定將前柱安全閥開啟壓力升高至46.2 MPa（受損修復(fù)的支架為42 MPa，后又統(tǒng)一調(diào)整到46.2 MPa），后柱升高至42 MPa，調(diào)高安全閥開啟壓力后支架額定工作阻力為17 946 kN。

將整個工作面區(qū)域分為4個壓力測區(qū)，從細(xì)節(jié)和整體兩個方面入手，分別研究工作面周期來壓過程中的壓力顯著階段及整個過程的壓力顯現(xiàn)特點，對比支架工作阻力與顯現(xiàn)壓力，預(yù)測工作面壓架危險，既突出重點又不失整體特征。

3 采空區(qū)預(yù)留頂煤煤垛及配套技術(shù)

3.1 配套采煤工藝

61052工作面繼續(xù)采用綜采放頂煤工藝，但部分采煤工藝參數(shù)和設(shè)備有所改變，主要包含有：

1）減小采煤機(jī)截深至700mm，保持采高3.8～4m。

2）更換前部運輸機(jī)電機(jī)，把原有的855 kW電機(jī)，更換為1 000 kW電機(jī)，提高前部運輸機(jī)的運載能力，減小前部運輸機(jī)過載的幾率，并采用TTT平衡加載。

3）工作面泵站壓力由31.5 MPa升高至37 MPa，前柱初撐力標(biāo)準(zhǔn)由25.2 MPa升高至28 MPa，在工作面頂板完整區(qū)域必須保證初撐力達(dá)到規(guī)定值。

4）支架前柱安全閥開啟壓力升高至46.2 MPa，后柱安全閥開啟一律升至42 MPa。

3.2 采空區(qū)預(yù)留煤垛技術(shù)

為避免工作面受到頂板來壓沖擊，采用采空區(qū)預(yù)留頂煤煤垛的技術(shù)及加快推進(jìn)速度的方法，減小頂板來壓強(qiáng)度，其中，采空區(qū)預(yù)留頂煤煤垛技術(shù)主要方法有兩種，一是預(yù)留條形間隔煤垛技術(shù)，二是工作面一線雙十架放煤技術(shù)。其中工作面一線雙十架放煤技術(shù)是在預(yù)留條形間隔煤垛技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過實踐優(yōu)化而來。

3.2.1 預(yù)留交錯條形間隔煤垛技術(shù)

在實際生產(chǎn)中，以礦壓研究成果和現(xiàn)場觀測為主要技術(shù)支護(hù)手段指導(dǎo)煤垛的留設(shè)工作主要包括兩個方面。一是在工作面推進(jìn)方向上，主要是以周期來壓步距作為留設(shè)煤垛的標(biāo)準(zhǔn)。必須準(zhǔn)確預(yù)測來壓步距，對留設(shè)煤垛的工作進(jìn)行提前布置安排。二是支架工作阻力是礦壓顯現(xiàn)的直觀表現(xiàn)，根據(jù)支架工作阻力可以預(yù)測頂板來壓時刻，從而指導(dǎo)煤垛的留設(shè)。按目前觀測結(jié)果，4個區(qū)域頂板來壓時前柱工作阻力平均分別為 29.09 MPa、37.13 MPa、37.36 MPa 和 36.12 MPa。以頂板周期來壓過程支架平均末阻力加1倍均方差達(dá)不到上述來壓強(qiáng)度均值。經(jīng)計算，區(qū)域1—4頂板周壓過程平均末阻力分別加1.6倍、3.4倍、2.4倍和2.1倍均方差才可達(dá)到上述來壓強(qiáng)度均值。

1）面長方向分區(qū)域控制放煤。根據(jù)工作面面長方向不同區(qū)域來壓特點，將工作面面長方向劃分為4個區(qū)域?qū)Ψ琶哼M(jìn)行控制，分別為區(qū)域1（1號—30號）、區(qū)域2（31號—70號）、區(qū)域 3（71號—100號）和區(qū)域4（101號—140號）。

2）走向方向按步距控制放煤。沿推進(jìn)方向，以平均周期來壓步距（20 m）對放煤時間進(jìn)行控制，在每個周期來壓步距內(nèi)頂板來壓時約割煤5～7刀（3.5 m～4.9 m）不放煤，不放煤步距基本與工作面平均顯著來壓步距（5 m）基本相當(dāng)，即在來壓期間不放煤可形成滿足要求的最大煤垛高度。

3）交錯條形間隔煤垛內(nèi)局部支架放煤。在每個不放煤區(qū)域內(nèi)，仍可以以8架為單位對放煤進(jìn)行控制，相鄰條形內(nèi)放煤與不放煤間隔進(jìn)行。采空區(qū)留設(shè)煤垛控制頂板下沉量需要時間（來壓時刻的判斷）和空間（工作面推進(jìn)方向和面長方向）的相互配合，同時也需要在實踐中對該技術(shù)進(jìn)行不斷完善。

3.2.2 工作面一線雙十架放煤技術(shù)

根據(jù)上述留煤垛控制礦壓基本思路，配合綜采隊在實踐中對留煤垛技術(shù)從實際可操作性及經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了研究和創(chuàng)新，提出了全工作面一線雙十架放煤技術(shù)，其技術(shù)要點如下：

1）工作面頂板相對穩(wěn)定時期。采用兩采一放雙輪順序放煤或三輪順序放煤補(bǔ)充煤量。正常放煤期間，以下幾種情況不放煤：采空區(qū)大面積懸頂時不放煤、支架活柱壓縮量大時不放煤、特殊條件不放煤。

2）工作面頂板顯著運動時期。工作面頂板周期來壓期間，仍然以快推為主，放煤為輔的方式進(jìn)行甩壓。具體放煤操作方式為：全工作面一線雙十架放煤技術(shù)，即工作面在同一個推進(jìn)位置，全工作面范圍內(nèi)從上部到下部主動放十個支架后部頂煤，留十個支架后部頂煤，依次類推。采空區(qū)內(nèi)間隔留條形煤垛，支撐采空區(qū)頂板，控制工作面頂板下沉量。工作面頂板壓力大的區(qū)域，不放煤。支架超高區(qū)域，不放煤。支架架態(tài)不好，低頭嚴(yán)重處不放煤。

4 頂板控制效果

通過改變來壓期間放煤方式，即從原來的工作快速推進(jìn)不放煤到雙十架放煤，不但提高了工作面頂煤放出高度，而且采空區(qū)留間隔條形煤垛，支撐采空區(qū)頂板，對周期來時工作面頂板下沉量得控制也得到了顯著的效果。工作面沒有出現(xiàn)支架被壓死情形，活柱縮量在可控范圍內(nèi)。目前達(dá)到較理想的頂板控制效果，實際上是支架“限定變形”和“采空區(qū)留煤垛”支撐頂板共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。

5 結(jié)論

61052工作面頂板災(zāi)變運動形成的壓架事故的直接原因是工作面支架阻力的不足。從頂板運動方面講，老頂斷裂回轉(zhuǎn)空間大，工作面支架阻力或活柱縮量不能滿足老頂控制位態(tài)，形成壓架事故。

1）壓力顯現(xiàn)監(jiān)測分析。通過監(jiān)測，頂煤切頂線位于后立柱前方，后柱工作阻力小。頂板顯著運動過程，前柱及整架工作阻力分別為38.99～42.78 MPa及11 628～13 057 kN。頂板周期運動過程，前柱及整架工作阻力分別為 25.19～26.56 MPa及 7 308～7 961 kN。以整架阻力計算動載系數(shù)為1.72～2.08。總體來說，61052綜放工作面屬于來壓強(qiáng)烈的工作面。

2）頂板控制理論及技術(shù)。支架在“給定變形”狀態(tài)下工作，支架富余伸縮量為-294 mm，支架會被壓死；支架在“限定變形”條件下，發(fā)揮理論最大工作阻力（12 220 kN），支架富余伸縮量177 mm，當(dāng)生產(chǎn)條件不好時，仍有壓死支架危險。綜上所述，必須從改變支架工作狀態(tài)和提高采空區(qū)充填率兩方面入手，提出并實施支架“限定變形”工作狀態(tài)+“采空區(qū)留頂煤間隔煤垛”兩項主導(dǎo)技術(shù)。

[1] 顧鐵鳳，宋選民.封閉采空區(qū)頂板垮落-空氣沖擊耦合模型與差分解法[J].煤炭學(xué)報，2008（11）：1 211-1 215.

[2] 息金波.采場頂板大面積垮落的颶風(fēng)災(zāi)害的理論研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006：11-18.

[3] 宋選民，顧鐵鳳.頂板受沖擊垮落的理論分析及工程應(yīng)用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2008（6）：609-612.

[4] 熊仁欽.采場頂板大面積冒落的破壞性及防治原理[J].礦山壓力與頂板管理，1995（1）：35-38.

[5] 熊仁欽.頂板大面積來壓破壞機(jī)理的研究[J].煤炭學(xué)報，1995（3）：38-41.