大采高綜采面危害因素評估與頂板管理

王 維，陳 芳

(1.神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

頂板事故是煤礦生產(chǎn)中最常見的事故之一，據(jù)統(tǒng)計，在所有煤礦事故中，頂板事故占40%～50%。由此可見，頂板事故嚴(yán)重制約了煤礦的安全生產(chǎn)，因此，加強(qiáng)工作面頂板管理對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[1-3]。由于煤礦井下情形多樣，地勢復(fù)雜，因此必須加強(qiáng)對井下頂板管理，但由于受到部分開采或其他因素的影響，導(dǎo)致頂板冒落、冒頂?shù)惹闆r時常發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響井下采礦的質(zhì)量和效率，更重要的是極易對采礦人員和相關(guān)人員的人身安全造成威脅[4-7]。隨著我國現(xiàn)代化礦井建設(shè)的不斷推進(jìn)，一礦一面、大采高一次采全厚綜采面的成果應(yīng)用，尤其是神東礦區(qū)8 m采高綜采面的出現(xiàn)，使得頂板控制與管理尤為重要，頂板管理質(zhì)量的好壞直接決定采煤工作面的生產(chǎn)效率[8-9]。因此，有必要針對大采高綜采面頂板管理進(jìn)行研究討論，分析事故發(fā)生情況及原因，提高現(xiàn)場生產(chǎn)人員的責(zé)任感和安全意識，主動采取有效的措施，減少開采可能出現(xiàn)的安全事故。為此，以神東補(bǔ)連塔煤礦22411大采高綜采面為研究對象，開展采前危害因素評估與頂板管理方法探討。

1 工作面概況及采前危害因素評估

1.1 工作面概況

神東補(bǔ)連塔煤礦為現(xiàn)代化大型安全高效礦井，22411綜采面為22煤四盤區(qū)首采面。綜采面長度301 m，推采長度3 716.4 m，上覆基巖厚度為148～203 m，松散層厚度為0～28 m，煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度6.29 m，根據(jù)井下實際情況設(shè)計采高6.1 m。綜采面沿傾斜布置，以負(fù)坡推進(jìn)為主，采用傾斜長壁后退式開采一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采作業(yè)。該綜采面采用EKF SL1000/6595型雙滾筒采煤機(jī)割煤和裝煤，ZY18000/32/70D液壓支架支護(hù)，DBT3×1600/2.05刮板運輸機(jī)、DBT700/350kW轉(zhuǎn)載機(jī)、DBT700/350kW膠帶機(jī)運煤，自然垮落法處理采空區(qū)等一系列生產(chǎn)工藝完成回采工作。

1.2 采前危害因素評估

初采期間危害因素評估：22411綜采面為首采面，類比礦井其他綜采面初次垮落情況，垮落步距一般在23～49 m。步距范圍較大，不確定因素較多，應(yīng)采用水力壓裂初次放頂，破壞頂板的完整性，使其盡早垮落，減緩初次來壓對支架的破壞，確保初采安全。預(yù)計工作面推進(jìn)至10～20 m范圍內(nèi)直接頂初次跨落，50 m以內(nèi)基本頂垮落，初次來壓可能形成颶風(fēng)并導(dǎo)致人員、設(shè)備等安全事故的發(fā)生。

末采期間危害因素評估：22411綜采面預(yù)計距主回撤通道14.5～15.5 m時開始組織掛網(wǎng)貫通，為保證工作面安全、順利貫通，工作面需加強(qiáng)頂板及工程質(zhì)量管理，防止工作面冒頂及壓死支架等事故發(fā)生。末采貫通期間，需要大量的登高作業(yè)、架前作業(yè)、使用高壓液體、啟停絞車等高危工序，極易造成人員傷害。

正?；夭善陂g危害因素評估：22411綜采面符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋煤層的特征。根據(jù)三盤區(qū)回采經(jīng)驗，存在大小周期來壓、頂板臺階下沉、礦壓顯現(xiàn)明顯、來壓持續(xù)時間長、工作面片幫炸幫嚴(yán)重等特征，頂板維護(hù)困難；同時22411綜采面采高大，尤其遇工作面周期來壓時，頂板壓力大，頂板管理“五到位”制度執(zhí)行不到位時，極易發(fā)生底鼓、冒頂、炸幫、漏矸等事故，對設(shè)備及人員安全存在較大的隱患。

防治水方面的危害因素評估：22411綜采面主要充水水源為上覆采空區(qū)積水、補(bǔ)連溝、上覆集中煤柱內(nèi)存水、薄基巖區(qū)等，需要針對上覆采空區(qū)積水采用階段性疏放。經(jīng)探測，采空區(qū)積水是22411綜采面出水的主要來源，可能會造成工作面涌水量增大，損壞設(shè)備和造成人員傷害。

一通三防方面的危害因素評估：由于季節(jié)性氣候變化，大氣壓的波動造成采空區(qū)氮氣涌出，采空區(qū)出現(xiàn)“呼吸”現(xiàn)象。從而引起22411綜采面回風(fēng)隅角氧氣、一氧化碳濃度的波動，致使回風(fēng)隅角及附近氧氣濃度下降、一氧化碳濃度上升，低氧期間一般濃度在17%～18%之間，存在安全隱患。

采空區(qū)著火危害因素評估：22煤層為Ⅰ級自燃煤層，發(fā)火期48 d，22411綜采面回采期間采空區(qū)著火后采空區(qū)內(nèi)一氧化碳等有毒有害氣體溢出，以及其他危害因素會威脅工作面生產(chǎn)，屆時必須加強(qiáng)現(xiàn)場管理。

粉塵接觸濃度超限危害因素評估：在割煤及日常生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的煤塵及巖塵，給人員健康帶來巨大隱患。

2 頂板管理

2.1 頂板管理方法

針對大采高綜采面，采用改變支護(hù)方式和調(diào)整移架順序方式進(jìn)行管理。

支護(hù)方式：綜采面采用追機(jī)移架方式對頂板及時支護(hù)，滯后采煤機(jī)前滾筒2～3架拉架，當(dāng)頂板較為破碎或來壓時滯后采煤機(jī)前滾筒1～2架拉架；打出護(hù)幫板滯后采煤機(jī)后滾筒3～5架，收回護(hù)幫板超前前滾筒3～5架。當(dāng)梁端距大于800 mm時及時拉超前架；當(dāng)拉出超前架后梁端距仍然較大時要打出伸縮梁，綜采面過破碎裂隙帶時或頂板離層的情況下，應(yīng)采用“帶壓移架法”移架。

移架順序：針對兩端頭移架順序，為保證頂板穩(wěn)定，應(yīng)先從外向內(nèi)移動端頭支架，即先移1#(150#)支架，然后移2#(149#)支架，再移3#(148#)支架，最后移過渡架4#(147#)。對于回順超前支架移架順序，當(dāng)采煤機(jī)割至120#支架向機(jī)尾方向時，先向前移出最后一排兩臺支架一個步距，再向前移出一個步距，然后再向前拉移中間兩臺支架兩個步距，再向前推出第一排兩臺支架兩個步距。

2.2 回采面內(nèi)頂板管理

加強(qiáng)設(shè)備檢修檢查，杜絕設(shè)備“帶病”作業(yè)：在生產(chǎn)過程中必須保證綜采面“三直兩平兩暢通”，所有設(shè)備正常運行，加強(qiáng)液壓支架檢修，保證液壓系統(tǒng)無竄漏液，支架動作靈活。

控制割煤工藝，確保頂?shù)装逋暾翰擅簷C(jī)司機(jī)在割煤過程中要合理控制采煤機(jī)割煤速度，移架過程中要根據(jù)頂?shù)装迤秸群侠碚{(diào)整平衡油缸，保證支架架形合理和接頂效果，及時支護(hù)頂板。同時，要根據(jù)頂板變化、地質(zhì)構(gòu)造情況等合理調(diào)整采高，保證過渡平緩。

實時監(jiān)測支架壓力，掌握來礦壓規(guī)律：對支架壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，及時觀察周期來壓情況，準(zhǔn)確掌握來壓步距。來壓時要嚴(yán)格按支架操作的基本要求操作，應(yīng)采用“帶壓移架法”及時拉架，組織快速推進(jìn)，保證液壓支架端面距最??；采煤機(jī)司機(jī)必須按照層位進(jìn)行回采，要根據(jù)頂板壓力、煤層厚度、直接頂巖性等各方面因素合理確定頂煤留設(shè)厚度，并在正?；夭珊椭芷趤韷哼^程中有所區(qū)別。

及時移架支護(hù)，快速接頂：在頂板離層的情況下，應(yīng)采用“帶壓移架法”，即首先將支架立柱快速下降，當(dāng)支架頂梁與頂板稍有距離時，停止降架，立刻拉架使支架的頂梁與頂板相擦前移，將支架前移一個步距，停止拉架，然后升起支架，并且確保初撐力大小。在頂板比較破碎的情況下，應(yīng)采用超前拉架法，稍降支架，將支架快速拉出頂?shù)矫簬蜕?，也可以采用快接頂板的辦法，采煤機(jī)先割底煤，下一刀返回時將頂煤割掉，支架拉出，運輸機(jī)推出后再拉一茬支架，快速接頂。

加強(qiáng)管理，及時上報：當(dāng)綜采面出現(xiàn)設(shè)備故障停機(jī)時，要安排專人對支架進(jìn)行二次補(bǔ)壓，同時保證護(hù)幫板全部打開；如果綜采面頂板狀況較差，要采取其他措施對頂板進(jìn)行加固處理，當(dāng)綜采面壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈時要采取措施防止支架壓死。跟班隊長每班對綜采面、兩順槽支護(hù)及頂板動態(tài)情況進(jìn)行巡回檢查，綜采面頂板出現(xiàn)異?；蛑ёo(hù)強(qiáng)度不能滿足安全需要時，作業(yè)人員必須立即撤至安全地點并向調(diào)度指揮中心匯報，待隱患消除后方可進(jìn)行作業(yè)。

2.3 端頭頂板管理

頂?shù)捉佑|良好，及時調(diào)整：端頭支架初撐力根據(jù)實際情況調(diào)整，保證不漏頂以及相鄰支架搭接良好。端頭支架大腳嚴(yán)禁鉆底，以防壓住推移框架使橋式轉(zhuǎn)載機(jī)推移困難或損壞機(jī)頭啞鈴銷。

及時養(yǎng)護(hù)，準(zhǔn)確操作：端頭支架必須專人維護(hù)，電纜、管線等必須完好無損；端頭支架移架前，要先檢查順槽支護(hù)情況，保證支護(hù)可靠；觀察橋式轉(zhuǎn)載機(jī)與支架是否有卡阻現(xiàn)象，如果有異常情況，必須處理后方可進(jìn)行拉移。操作支架時，人員不得將頭部或身體其它部位伸出支架，升起支架后，觀察架間無漏矸現(xiàn)象再快速通過，防止架間漏矸傷人。

加強(qiáng)壓力監(jiān)測，密切觀察采空區(qū)垮落情況：生產(chǎn)過程中，要經(jīng)常觀察端頭支架的受力情況，當(dāng)壓力較大，要盡快采取加刀方式，盡快移動端頭架，防止壓死支架。端頭支架護(hù)幫板為防止誤動作傷人必須全部執(zhí)行上鎖管理。作業(yè)人員密切注意采空區(qū)頂板垮塌情況，發(fā)現(xiàn)有頂板未垮落現(xiàn)象及時向跟班人員匯報，并自身采取有效防護(hù)措施，防止頂板突然垮塌形成局部颶風(fēng)造成人員傷害。

措施到位，靈活調(diào)整：回采過程中，根據(jù)端頭及出口情況，及時修改、補(bǔ)充加強(qiáng)綜采面端頭及出口的支護(hù)方式、范圍及相關(guān)措施，經(jīng)審批后執(zhí)行。

2.4 超前支護(hù)管理

回風(fēng)順槽使用超前邁步架時，對超前段頂板支護(hù)提前進(jìn)行破壞，且拉架后存在片幫傷人、頂板掉落活塊等隱患，因此要加強(qiáng)此區(qū)域安全管控。

頂板支護(hù)到位，編制專項措施：主運順槽頂板應(yīng)采用錨索+錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，采用專用錨索超前支護(hù)頂板。回超前支護(hù)最好采用支撐式液壓支架支護(hù)頂板，推采過程中，如果頂板破碎時或壓力大時，應(yīng)增大支護(hù)密度，提高支護(hù)強(qiáng)度，及時采取有效支護(hù)措施，補(bǔ)強(qiáng)大直徑高阻力錨索支護(hù)或更換高阻力巷道支架支護(hù)。

敲幫問頂，巡查到位：打設(shè)或回撤支柱時必須3人作業(yè)，一人監(jiān)護(hù)，兩人操作，操作和監(jiān)護(hù)人員必須站在頂板完好且有支護(hù)的位置。回采至聯(lián)巷附近時，司機(jī)負(fù)責(zé)觀察聯(lián)巷范圍內(nèi)的頂板變化，發(fā)現(xiàn)不安全隱患，及時向跟班隊長匯報，以便采取加強(qiáng)支護(hù)措施，并安排專人使用敲幫問頂工具對兩順槽超前綜采面200 m范圍內(nèi)頂幫情況進(jìn)行全面檢查，對有片幫或冒頂危險的地方，要及時處理。

提前預(yù)防，及時補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：當(dāng)綜采面兩順槽遇頂板破碎或松軟、斷層、冒頂區(qū)、底鼓嚴(yán)重時必須制定專項的安全技術(shù)措施。技術(shù)員或跟班隊長負(fù)責(zé)觀察頂板狀況，及時讀取頂板離層儀數(shù)據(jù)并分析，當(dāng)頂板有明顯下沉?xí)r，必須采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。超前支護(hù)范圍之前已經(jīng)打開的聯(lián)巷密閉，必須采取臨時封閉措施或設(shè)置柵欄懸掛醒目警示標(biāo)識，嚴(yán)禁人員出入。兩順槽必須有備用的支護(hù)材料，備用單體(柱靴、柱帽)數(shù)量應(yīng)不少于在用單體總數(shù)的10%，還要定期檢查單體完好情況，每天進(jìn)行簡易排查，每周進(jìn)行一次壓力測試，合格后方可繼續(xù)使用，否則必須升井。

2.5 順槽安全出口管理

巡查測量，確保安全出口通道通暢：綜采面兩順槽安全出口高度不得低于1.8 m，寬度不得小于0.8 m，不大于2.0 m。跟班隊長必須對綜采面推進(jìn)度進(jìn)行精確測量，并觀察上下安全出口的寬度，及時調(diào)整綜采面以保證行人寬度。每班對上下安全出口煤壁及頂板片幫進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)頂板破碎時應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，并及時對超前30 m范圍內(nèi)水溝進(jìn)行清理，把石子、雜物清理干凈。

提高安全意識，及時調(diào)整出口：出入綜采面通過上下安全出口的所有人員必須要先觀察頂、幫情況，確認(rèn)安全后方可通過。跟班隊長每班觀察上下安全出口情況，發(fā)現(xiàn)安全出口有變小的趨勢時，必須及時通過加甩刀調(diào)整出口，發(fā)現(xiàn)刮卡及時采取措施，并設(shè)置警戒。

通過現(xiàn)場應(yīng)用，22411工作面已順利推進(jìn)超過500 m，工作面未發(fā)生頂板事故，提出的具體措施及方法行之有效，能夠解決該工作面頂板安全問題。

3 結(jié)論

(1)通過對補(bǔ)連塔6 m以上大采高綜采面回采初期、中期、末期的礦壓、水害、一通三防等方面進(jìn)行采前危害因素評估，針對性提出了工作面、端頭、兩順槽頂板管理措施，并經(jīng)現(xiàn)場驗證，未發(fā)生頂板事故，措施行之有效。

(2)針對大采高工作面頂板管理方法，從支護(hù)方式、移架順序方面，提出了帶壓移架及從外向內(nèi)順序移架的方法，確保了頂板安全；探討了在正?；夭善陂g、綜采面端頭及內(nèi)發(fā)生冒頂情況時，以及兩巷順槽及聯(lián)巷口的頂板管理的具體應(yīng)急措施及方法，提出了“設(shè)備養(yǎng)護(hù)、實時監(jiān)測、及時支護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)、提前預(yù)防”等一系列具體措施，保證了大采高工作面順利開采。