特厚硬煤下分層工作面兩端頭壓架原因及預(yù)防

李瑞群，陳蘇社

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

活雞兔井1-2煤層總厚度為9.63～10.35 m，平均厚度為10.0 m，煤層傾角1°～3°，埋深76～106 m，普氏系數(shù)約為3，煤層韌性較好。原計(jì)劃采用“上分層綜采4 m、中間留2 m假頂、下分層再綜采4 m”的回采方法，其中上分層4 m煤厚已經(jīng)在2005年全部回采完畢。如果采用該回采方法，不僅頂板控制十分困難，而且將浪費(fèi)2 m厚的煤炭資源，大量煤炭遺留在采空區(qū)還會(huì)造成自然發(fā)火的重大隱患。經(jīng)過探索，決定對(duì)下分層6 m煤厚采用綜放的回采方法進(jìn)行回收，這種開采方法不僅大大提高了資源回收率，還杜絕了自然發(fā)火的安全隱患[1]。下分層綜放面回采過程中礦壓顯現(xiàn)很小，中部沒有周期來壓，但兩端頭區(qū)域礦壓顯現(xiàn)明顯，特別是在過上分層聯(lián)巷的位置，礦壓顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈，多次發(fā)生了壓架事故。為此，以12下206-1綜放面為例，從頂板結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，對(duì)綜放面兩端頭過上分層聯(lián)巷位置發(fā)生壓架的機(jī)理進(jìn)行分析研究。

1 開采概況

1.1 地質(zhì)條件及開采方法

地質(zhì)條件：12下206-1綜放工作面長287 m，推進(jìn)長度2 687 m，煤層平均厚度為6.0 m，埋藏深度80～110 m，上分層約4 m煤厚已回采，直接頂為2.6～3.5 m煤層，老頂為大于20 m厚度的細(xì)、粉砂巖(已垮落)，直接底為0.3～1.8 m粉砂巖，老底為大于10 m的細(xì)、粉砂巖。

開采方法：針對(duì)活雞兔井1-2煤二盤區(qū)復(fù)合區(qū)10 m厚煤層上分層已采4 m的條件，對(duì)6 m厚的下分層采用綜放開采方法，采高4 m，放頂煤2 m，如圖1所示。該2 m厚的煤層可作為綜采的頂板，不需要鋪網(wǎng)，到了架后作為放頂煤進(jìn)行回收，既保證了頂板安全，又回收了煤炭資源，圖1為活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)開采方法示意圖。

1.2 巷道布置及支護(hù)

巷道布置：下分層工作面巷道采用“外錯(cuò)式”布置，即下分層綜放面的順槽、切眼、回撤通道都布置在實(shí)體集中煤柱內(nèi)[2]，并沿煤層底板掘進(jìn)，“外錯(cuò)式”布置巷道示意圖如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，巷道掘進(jìn)和回采期間的礦壓顯現(xiàn)都不明顯，沒有出現(xiàn)大的集中壓力，回采時(shí)超前支護(hù)段正常情況下礦壓也不明顯，基本無離層、片幫，效果較好。

圖1 活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)開采方法示意圖

a-平面圖；b-剖面圖圖2 12下206綜放面“外錯(cuò)式”布置巷道示意圖

巷道支護(hù)：由于下分層工作面的布置方式為外錯(cuò)式布置，因此正常段巷道采取“鋼筋焊接網(wǎng)+圓鋼錨桿+W鋼帶+錨索”的支護(hù)方式。在下分層巷道過上分層聯(lián)巷的特殊位置采用“錨桿+鋼筋焊接網(wǎng)+鋼筋鋼帶+U29鋼棚”的聯(lián)合支護(hù)，每處過上分層聯(lián)巷位置U型棚的架設(shè)數(shù)量根據(jù)層間距的薄厚合理確定，層間距在1 m以下、1～2 m、2～3 m和3 m以上時(shí)，架棚的數(shù)量分別為6架、5架、4架和3架?；夭蓪?shí)踐證明，采用這種支護(hù)方式完全能夠滿足巷道支護(hù)要求，過上分層聯(lián)巷段巷道支護(hù)斷面圖如圖3所示。

圖3 過上分層聯(lián)巷段巷道支護(hù)斷面圖

2 下分層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)情況

由于上分層開采后，上覆巖層已經(jīng)全部垮落至地表，因此下分層綜放面在推進(jìn)過程中，綜放工作面的中部不再存在老頂?shù)闹芷谛云茢?，也就沒有周期來壓顯現(xiàn)[3-6]。

2.1 整體來壓情況

綜放工作面回采期間，機(jī)采采高3.2～3.9 m、實(shí)體煤層間距0.3～1.2 m，虛體煤厚0.7～1.7 m，埋深為65～98 m。整個(gè)回采期間工作面沒有周期來壓，頂板層間距在300 mm以上時(shí)無任何變化，頂板完整，不漏頂，煤壁無片幫，支架壓力平緩，立柱無下縮情況，安全閥無泄液。

2.2 兩端頭壓力顯現(xiàn)情況

當(dāng)工作面推進(jìn)至982 m和1 150 m時(shí)，工作面機(jī)頭段發(fā)生了壓架情況。壓架區(qū)域工作面埋深71～84 m，地表平緩，沒有溝谷發(fā)育和其它地質(zhì)等構(gòu)造，發(fā)生壓架時(shí)工作面推進(jìn)位置如圖4所示。

3 壓架原因分析及預(yù)防措施

3.1 原因分析

圖4 12下206綜放面機(jī)頭組合架壓架位置示意圖

順槽布置：12下206綜放面機(jī)頭側(cè)2條順槽布置在上分層區(qū)段煤柱下，上分層煤柱寬度30.4 m，下分層煤柱寬13 m，下分層順槽巷道距離上分層煤柱邊緣的距離分別為3.5 m和3.1 m。12下206綜放面機(jī)頭側(cè)上下分層順槽位置平面示意圖如圖5所示，機(jī)頭側(cè)巷道頂煤結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6所示。

圖5 12下206綜放面機(jī)頭側(cè)上下分層順槽位置平面示意圖

圖6 12下206綜放面機(jī)頭側(cè)巷道頂煤結(jié)構(gòu)剖面圖

薄弱點(diǎn)區(qū)域分析：12下206綜放工作面兩順槽布置在上分層順槽煤柱實(shí)體煤下，隨著工作面的不斷推進(jìn)，其端頭支架上方的實(shí)體煤短懸臂梁縱向長度逐漸加長。當(dāng)經(jīng)過上分層聯(lián)巷薄弱點(diǎn)區(qū)域時(shí)，由于上分層順槽聯(lián)巷的自由面作用以及短懸臂梁縱向長度和自重逐漸加大的作用，造成兩端頭短懸臂梁失穩(wěn)破斷垮落，連同煤柱上方的巖層重新垮落運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大壓力[7-9]。當(dāng)機(jī)頭組合支架無法承受頂板壓力時(shí)，造成壓架，特別是機(jī)頭組合架較長，延伸到采空區(qū)更深，壓力顯現(xiàn)更為明顯。

頂板結(jié)構(gòu)假設(shè)：由于上分層4 m厚的煤層已經(jīng)回采完畢，而且時(shí)間已經(jīng)很長，上覆巖層已經(jīng)充分垮落到地表。因此造成端頭壓力的主要由上分層6 m的煤層形成的頂板結(jié)構(gòu)，隨著工作面的推進(jìn)，懸臂長度不斷增大，當(dāng)懸臂梁到上分層的聯(lián)巷時(shí)，收到薄弱點(diǎn)的影響，“懸臂梁”結(jié)構(gòu)達(dá)到極限破斷，形成“簡(jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)，圖7為頂板結(jié)構(gòu)變化示意圖。

a-“懸臂梁”結(jié)構(gòu)；b-“簡(jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)圖7 頂板結(jié)構(gòu)變化示意圖

壓力計(jì)算：根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)的假設(shè)，隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)懸臂梁達(dá)到極限垮落位置時(shí)，“懸臂梁”結(jié)構(gòu)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂?jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)狀態(tài)，如圖8所示。按此時(shí)的“簡(jiǎn)支梁”狀態(tài)對(duì)來壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，見式(1)。

圖8 “簡(jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖

RA=q·l

(1)

式中：q—上覆載荷，按照6 m煤厚計(jì)算，為0.078 MPa；l—上分層聯(lián)巷的間距，為40 m；RA—作用在液壓支架上的壓力強(qiáng)度。計(jì)算得出RA為3.12 MPa，大于端頭支架的額定工作阻力1.35 MPa。

根據(jù)計(jì)算得到，當(dāng)下分層綜放面推進(jìn)到上分層聯(lián)巷位置時(shí)，上分層頂煤結(jié)構(gòu)破斷，載荷作用在端頭支架上，造成壓架。

3.2 預(yù)防壓架的措施

標(biāo)定位置：區(qū)隊(duì)采煤技術(shù)員提前在12下206運(yùn)順準(zhǔn)確標(biāo)記出上分層聯(lián)巷和硐室對(duì)應(yīng)的位置，要求上分層聯(lián)巷兩幫的位置均要準(zhǔn)確標(biāo)出，以準(zhǔn)確掌握綜放面推進(jìn)位置與上分層聯(lián)巷位置的相對(duì)關(guān)系。

加刀推進(jìn)：為了保證機(jī)頭能盡量多的加刀推進(jìn)，快速通過上分層聯(lián)巷位置，在煤壁位置剛剛進(jìn)入聯(lián)巷位置之前，將工作面調(diào)整到機(jī)尾超前的狀態(tài)，為機(jī)頭快速推進(jìn)加刀創(chuàng)造好條件。

機(jī)頭加刀：當(dāng)煤壁推進(jìn)至上分層聯(lián)巷中間位置時(shí)，集中在機(jī)頭加刀，直至煤壁推過上分層聯(lián)巷煤幫3 m以上為止，再調(diào)整工作面正常推進(jìn)。

設(shè)備檢修：過上分層聯(lián)巷位置前必須保證設(shè)備完好，加強(qiáng)設(shè)備檢修，保證工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，以確保工作面的連續(xù)快速推進(jìn)。

初撐力：機(jī)頭組合架每刀煤必須升緊，確保每根立柱初撐力達(dá)到25.2 MPa以上。

水力壓裂：提前采取水力壓裂措施?？梢钥紤]提前對(duì)上分層煤柱實(shí)體進(jìn)行預(yù)裂，使上分層煤柱提前斷裂，從而減弱過上分層聯(lián)巷位置的來壓強(qiáng)度。

4 結(jié)語

根據(jù)對(duì)活雞兔井12下206綜放工作面的頂板結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，得出對(duì)1-2煤下分層的頂板結(jié)構(gòu)假設(shè)為“懸臂梁”。隨著工作面推進(jìn)，“懸臂梁”達(dá)到極限，在上分層聯(lián)巷的薄弱位置時(shí)，“懸臂梁”結(jié)構(gòu)破斷，形成“簡(jiǎn)支梁”的結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析結(jié)果制定的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防壓架措施取得了很好的控制效果。