煤礦頂板危害程度評(píng)估和分級(jí)管理措施

艾 華

(山西正誠(chéng)礦山安全技術(shù)研究所(有限公司),太原 030022)

1 礦井概況

井田位于沁水煤田西緣,霍山隆起之東翼。由于受霍山徑向構(gòu)造帶及壓扭性斷裂的影響,井田總體地層走向?yàn)楸蔽鞯膯涡睒?gòu)造,傾向北東,局部有寬緩的背向斜褶皺構(gòu)造。含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大。井田總體地層走向?yàn)楸蔽鞯膯涡睒?gòu)造,傾向北東,局部有寬緩的背向斜褶皺構(gòu)造。斷層較為發(fā)育,共發(fā)育斷層19條,其中大的斷層構(gòu)造有6條(落差80 m～350 m),中等斷層構(gòu)造有4條(落差20 m～30 m),其余為小的斷層構(gòu)造。地層傾角8°～23°,東部地層傾角較大,全井田平均傾角小于15°,未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵活動(dòng),井田構(gòu)造復(fù)雜程度為中等類型。井田可采6#煤層全區(qū)厚度1.85 m～3.25 m,平均2.46 m，不含夾矸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度2.10 m～3.35 m,巖性以灰黑色、深灰色為主;老頂為粉砂巖,厚度7.40 m,灰黑色,含少量暗色礦物結(jié)核,裂隙不甚發(fā)育。

2 煤層頂板分類

2.1 煤層頂板巖性及力學(xué)性質(zhì)

6#煤層頂板為泥巖,厚度2.10 m～3.35 m,巖性以灰黑色、深灰色為主,裂隙不甚發(fā)育,一般組成預(yù)定性差的頂板。頂板巖性為粉砂巖,其單向抗壓強(qiáng)度47.4 MPa～56.0 MPa,平均51.8 MPa;巖性為泥巖時(shí),抗拉強(qiáng)度1.52 MPa～2.15 MPa,平均1.83 MPa,為不穩(wěn)定頂板。底板為粉砂巖時(shí),抗拉強(qiáng)度0.37 MPa～0.53 MPa,平均0.45 MPa,為中等穩(wěn)定底板。

2.2 直接頂分類

據(jù)礦方開采6#煤層工作面礦壓觀測(cè)資料和數(shù)據(jù)分析,直接頂初次垮落距約為4.0 m,參照MT554-1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》中直接頂分類指標(biāo)及參考要素表(表1),6#煤層直接頂為1類不穩(wěn)定頂板。

表1 直接頂分類指標(biāo)及參考要素表Table 1 Classification index and reference elements of immediate roofs

注:τr為直接頂初次垮落距。

2.3 采煤工作面頂板分類

6#煤層老頂初次來壓步距為12.0 m左右,采高為2.46 m,直接頂厚度為2.10 m～3.35 m。

老頂來壓當(dāng)量：

Pc=241.3 lnLf-15.5N+52.6hm.

(1)

式中:Pc為老頂初次來壓當(dāng)量,kPa;Lf為老頂初次來壓步距,12.0 m;N為直接頂充填系統(tǒng),N=hi/hm;hi為直接頂厚度,2.10 m;hm為煤層采高,取2.46 m。

計(jì)算老頂來壓當(dāng)量為:Pc=715.77 kPa。

參照MT554-1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》中基本頂分類指標(biāo)(表2)，6#煤層老頂壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度為Ⅰ級(jí)，老頂均能全部自行垮落，不需要進(jìn)行人工強(qiáng)制放頂。

表2 基本頂分類指標(biāo)表Table 2 Classification index of main roofs

3 工作面頂板危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

依據(jù)工作面頂板重大危險(xiǎn)源劃分表(表3)，工作面頂板重大危險(xiǎn)源自身危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

表3 工作面頂板重大危險(xiǎn)源劃分Table 3 Major hazards classification of working face roofs

4 工作面頂板管理措施及控制效果分級(jí)

4.1 采煤方法

工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法,全部垮落法管理頂板。工作面煤層厚度平均2.46 m,支架高度1.8 m～3.8 m;采煤機(jī)滾筒截深為 0.8 m,確定循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m,煤機(jī)割煤高度2.46 m,正常割煤時(shí)牽引速度為0 m/min～7.1 m/min?！焦ぷ髅孢x用MG300/730-WD型雙滾筒電牽引采煤機(jī)1部,工作面支護(hù)選用端頭(尾)架ZZT6400/19/40支撐掩護(hù)式支架6組(端頭3組,端尾3組),中間架ZZ6400/18/38支撐掩護(hù)式支架93組。SGZ764/630刮板輸送機(jī)1部,SZZ764/200轉(zhuǎn)載機(jī)1部,PLM1000破碎機(jī)1部,DSJ100/60/2×315膠帶運(yùn)輸機(jī)1部。輔助運(yùn)輸設(shè)備選用礦車和平板車,牽引設(shè)備選用JSDB-10雙速多用絞車、JSDB-13雙速多用絞車、SQ-80/110B無極繩絞車和SQ-120/132B無極繩絞車。

4.2 支架選型

1)支架支撐高度的確定:

Hmax≥Mmax+0.2,Hmin≤Mmin-0.2.

(2)

式中:Hmax、Hmin分別為支架最大、最小高度,m;Mmax、Mmin分別為工作面最大、最小采高,m。

6#煤層厚度Mmax=3.25 m,Mmin=1.85 m,則支架最大高度Hmax≥3.25 m+0.2 m=3.45 m,支架最小高度Hmin≤1.85 m-0.2 m=1.65 m。

工作面選用ZZ6400/18/38型支撐式液壓支架及配套的端頭液壓支架。

2)支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算：

按巖石自重法計(jì)算,支架支護(hù)強(qiáng)度：

P=(6～8)Mmaxr.

(3)

式中:Mmax為最大采高,3.25 m;r為頂板巖石容重,26 kN/m3。

則P=(6～8)Mmaxr=507 kN/m2～676 kN/m2=0.51 MPa～0.68 MPa。

取上述計(jì)算的最大值,支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于0.68 MPa。

3)支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)：

中間架支護(hù)強(qiáng)度為0.8 MPa,端頭支架支護(hù)強(qiáng)度為0.78 MPa,都大于0.68 MPa,符合要求。

綜上,選取ZZ6400/18/38型和ZZT6400/19/40型支架能夠滿足工作面頂板支護(hù)和安全的要求。

4.3 端頭支護(hù)及超前支護(hù)

工作面機(jī)頭和機(jī)尾采用6架ZZT6400/19/40支撐掩護(hù)式支架,配合π型梁和點(diǎn)柱聯(lián)合支護(hù)機(jī)頭和機(jī)尾端頭頂板。

材、運(yùn)兩巷超前支護(hù)距離均不得小于30 m,運(yùn)輸巷超前支護(hù)緊跟轉(zhuǎn)載機(jī)電機(jī)后。兩巷超前支護(hù)采用單體支柱加π型梁(4 m)進(jìn)行支護(hù)。具體形式為:π型梁垂直于巷道布置,單體支柱支設(shè)在π型梁正下方,保證“一梁三柱”,排距不得超過1.0 m,材、運(yùn)兩巷距兩幫0.3 m處各加一排單體支柱,在材料巷中間一排單體支柱以設(shè)備列車為準(zhǔn),支設(shè)在人行道側(cè)距設(shè)備列車最突出部分0.3 m處。運(yùn)輸巷中間一排單體柱支設(shè)在距轉(zhuǎn)載機(jī)自移裝置0.3 m處,人行道寬度不小于0.8 m,以不影響推移轉(zhuǎn)載機(jī)為準(zhǔn)。

4.4 礦壓觀測(cè)

工作面每個(gè)支架安設(shè)一組壓力表,對(duì)工作面液壓支架初撐力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),每天統(tǒng)計(jì)一次支架前端頂板的破碎及煤壁片幫情況。通過每日對(duì)觀測(cè)記錄下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)分析和處理,總結(jié)出頂板活動(dòng)規(guī)律及支架與頂板相互作用的機(jī)理,根據(jù)觀測(cè)結(jié)果及時(shí)采取相應(yīng)措施,更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

運(yùn)輸、回風(fēng)兩巷道里安設(shè)的頂板離層儀進(jìn)入超前維護(hù)區(qū)前50 m范圍內(nèi)每天觀測(cè)一次,其余50 m外的每周觀測(cè)一次。超前支護(hù)單體支柱阻力的觀測(cè)用單體支柱壓力表,超前維護(hù)區(qū)支柱初撐力每日進(jìn)行一次觀測(cè),觀測(cè)數(shù)據(jù)不少于6組;端頭區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不少于2組,確保安全生產(chǎn)。

4.5 控制措施效果分級(jí)

依據(jù)重大危險(xiǎn)源控制措施效果分級(jí)，該礦防治頂板事故的控制措施效果較好，等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

5 結(jié)論及建議

該礦開采6#煤層工作面頂板重大危險(xiǎn)源自身危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，控制效果等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

綜采工作面的上下端頭要加強(qiáng)維護(hù), 工作面上下端頭和上下順槽連接處,頂板裸露的面積較大,壓力較大,上覆巖層極易離層,在上下端頭處移架時(shí)加強(qiáng)支護(hù),保證支護(hù)的完整性、穩(wěn)定性,防止漏頂。以保證行人安全及工作面排水點(diǎn)的正常工作。工作面順槽受采動(dòng)影響后,發(fā)現(xiàn)巷道變形時(shí)應(yīng)立即加強(qiáng)支護(hù),應(yīng)進(jìn)行注漿加固維護(hù)。

采空區(qū)采用自然垮落法處理,若端頭老塘懸頂面積大于2 m×5 m而不垮落,必須將順槽錨索退出,若退出錨索后仍無法使采空區(qū)頂板垮落必須對(duì)采空區(qū)強(qiáng)制放頂。

礦井生產(chǎn)技術(shù)部要成立礦壓觀測(cè)組,工作面初次放頂前,要在工作面設(shè)礦壓觀測(cè)點(diǎn),實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè),對(duì)上、下出口,上、下順槽及工作面煤幫進(jìn)行檢查,并向相關(guān)技術(shù)部門匯報(bào)情況,以指導(dǎo)工作面頂板管理,保證安全生產(chǎn)。