過(guò)集中煤柱期間的頂板管理

王小照，王浩宇，王福海

（國(guó)家能源集團(tuán)公司神東煤炭公司榆家梁煤礦，陜西 榆林719316）

1 引言

頂板管理作為煤礦安全生產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)，一直以來(lái)都是綜采生產(chǎn)的管控重點(diǎn)，也是造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失的主要原因之一。尤其當(dāng)工作面通過(guò)上覆煤柱時(shí)，冒頂、工壓架事故、炸幫等風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。針對(duì)過(guò)上覆煤柱期間頂板管理的問(wèn)題，多年來(lái)各國(guó)各地區(qū)頭從不同角度對(duì)該段生產(chǎn)區(qū)間內(nèi)頂板進(jìn)行了研究，其中以強(qiáng)度理論、能量理論和“三準(zhǔn)則”理論最具代表性。隨著科技的發(fā)展，工作面設(shè)備的工作性能不斷提高，過(guò)上覆煤柱期間的頂板管理難度有所降低，但仍有許多實(shí)際問(wèn)題需要解決，還需進(jìn)一步探索研究?；诙嗄戡F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，筆者對(duì)頂板管理提出了相應(yīng)的管控措施，結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算、實(shí)際壓力數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣等方式，分析了地層綜合柱狀結(jié)構(gòu)，上覆煤柱作用區(qū)域?qū)χ苯禹數(shù)膽?yīng)力情況，從有效支護(hù)角度、礦壓觀察、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等角度對(duì)過(guò)上覆煤柱期間頂板管理，為減少冒頂事故、保障人身安全提供解決方案。

2 工作面頂板管理的一般辦法

為了保證開(kāi)采安全，必須加強(qiáng)對(duì)工作面、端頭、兩順槽頂板的管理。除了從制度上加強(qiáng)管控外，技術(shù)上的管理顯得尤為重要。大量的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和歷史經(jīng)驗(yàn)表明，常用的管理手段可以歸納為以下三個(gè)方面：①?lài)?yán)禁空頂作業(yè)，即在沒(méi)有任何支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不夠的情況下進(jìn)行作業(yè)；②保證支護(hù)質(zhì)量，指工作面支架接頂良好，初撐力滿(mǎn)足技術(shù)要求，并且支架動(dòng)作靈敏無(wú)故障；③補(bǔ)強(qiáng)和超前支護(hù)，是在工作面壓力激增，支護(hù)強(qiáng)度不足，或已經(jīng)出現(xiàn)冒頂、片幫等現(xiàn)象時(shí)，利用液壓?jiǎn)误w、木點(diǎn)柱、支架進(jìn)行的一種強(qiáng)化補(bǔ)救措施。

具體來(lái)說(shuō)，工作面正常回采期間，為了避免空頂作業(yè)，要保證端面距符合作業(yè)規(guī)程要求，一般情況下不大于340 mm；兩順槽一般情況為矩形斷面，常采用“錨桿+ 鋼筋網(wǎng)片+錨索”支護(hù)方式，在運(yùn)、回順20～30 m 范圍內(nèi)超前支護(hù)液壓?jiǎn)误w立柱；保證兩順槽架后懸頂面積小于10 m2，生產(chǎn)過(guò)程中要及時(shí)退錨索、錨桿，避免懸頂面積進(jìn)一步擴(kuò)大。實(shí)施退錨后仍不能有效消除懸頂，且懸頂面積大于10 m2時(shí)，采取高壓水預(yù)裂放頂或兩端頭施工沙袋墻。

支架結(jié)頂要嚴(yán)實(shí)，在保證頂板平整的情況下，保證頂梁于頂板充分接觸，如頂部有浮矸要及時(shí)清理。支架初撐力要達(dá)到252 bar，確保設(shè)備完好和正常運(yùn)行，保證液壓系統(tǒng)無(wú)竄、漏液，支架動(dòng)作靈活。

在特殊期間，如初采、末采、過(guò)集中煤柱、過(guò)薄基巖時(shí)，頂板極易出現(xiàn)冒頂、片幫等情況，冒頂超高段可采用錨桿、錨索、骨架網(wǎng)和錨索吊掛礦用工字鋼棚，并采用道木剎頂聯(lián)合支護(hù)。對(duì)于兩端頭，可以增加單體排數(shù)，多布置兩到三排，并適當(dāng)調(diào)整柱間距來(lái)達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的效果。

3 過(guò)煤柱期間應(yīng)力計(jì)算與實(shí)際對(duì)比

3.1 過(guò)煤柱期間應(yīng)力計(jì)算

由于過(guò)煤柱期間作用范圍相對(duì)集中，導(dǎo)致頂板部分區(qū)域壓強(qiáng)瞬間增強(qiáng)，極易導(dǎo)致頂板破碎，發(fā)生垮落冒頂事故。工作面推進(jìn)位置圖如圖1 所示。

以某綜采工作面過(guò)上覆順槽平行煤柱為例，假設(shè)煤柱寬20 m，上覆工作面巷道高5.5 m，煤柱長(zhǎng)100 m，通過(guò)計(jì)算煤柱作用應(yīng)力。計(jì)算公式為：

圖1 工作面推進(jìn)位置圖

式（1）中：P 為煤柱作用應(yīng)力，MPa；γ 為容重，1.3 t/m3；L為煤柱長(zhǎng)度，100 m；h 為煤柱高度，5.5 m；W 為煤柱寬度，20 m；g 為重力加速度，9.8 N/kg；S 為煤柱接頂板面積，2 000 m2。經(jīng)計(jì)算得出P=0.07 MPa。

假設(shè)工作面上部含上覆煤層上部地層（主要成分砂巖、泥巖、黃土，厚70 m，密度近似為2.4 t/m3），上覆集中煤柱、老頂（20 m，密度近似為2.5 t/m3），作用在工作面直接頂上的集中應(yīng)力P總。

式（2）中：P1為上覆煤層上部地層作用應(yīng)力，MPa；γ1為上覆煤層上部地層容重，2.4 t/m3；h 為上覆煤層上部地層高度，70 m。經(jīng)計(jì)算得出P1=1.64 MPa。

式（3）中：P2為老頂應(yīng)力，MPa；γ2為老頂容重，2.5 t/m3；h 為老頂高度，20 m。經(jīng)計(jì)算得出P2=0.49 MPa。

由于老頂上覆地層較為完成，節(jié)理未完全發(fā)育，自身具備一定支護(hù)強(qiáng)度，按照對(duì)外作用力30%取值，作用在直接頂上的總應(yīng)力。P總=0.3P1+P+0.3P2=0.71 MPa。

對(duì)比工作面Ⅲ級(jí)3 類(lèi)頂板0.78 MPa 的支護(hù)強(qiáng)度，當(dāng)正常作業(yè)發(fā)生振動(dòng)時(shí)極易出現(xiàn)冒頂?shù)惹闆r。因此過(guò)煤柱期間具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 過(guò)煤柱期間實(shí)際情況

以43101 工作面為例，推進(jìn)到1 342 m 時(shí)，工作面出42216-1 上覆順槽煤柱。中部壓力明顯增大，直接頂容易出現(xiàn)漏冒現(xiàn)象，冒落高度為0.3 m 左右，頂板為泥巖，煤壁片幫明顯，伴隨有炸幫，安全閥開(kāi)啟率3%～5%，70～170 架支架安全閥開(kāi)啟率最高，壓力值最大達(dá)448 bar，立柱下縮量在2～5 cm，平衡千斤頂伸縮量在1～3 cm，支架頂梁仰角略微增大。通過(guò)實(shí)際證明，過(guò)煤柱時(shí)具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 過(guò)煤柱期間的安全技術(shù)措施

4.1 進(jìn)入上覆集中煤柱前100 m

礦壓觀測(cè)：當(dāng)工作面推進(jìn)至上覆應(yīng)力集中煤柱前100 m時(shí)，需要每班安排專(zhuān)人觀測(cè)礦壓，并做好觀測(cè)臺(tái)賬，在控制臺(tái)設(shè)礦壓觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)，對(duì)工作面頂板情況班班抽查，并及時(shí)向主管科室匯報(bào)頂板動(dòng)態(tài)和采空區(qū)懸頂情況，指導(dǎo)頂板管理工作，保證安全生產(chǎn)。

技術(shù)人員每推進(jìn)50 m 做一次礦壓觀測(cè)總結(jié)，詳細(xì)記錄液壓支架控制系統(tǒng)（或壓力表）壓力值的變化情況，方便隨時(shí)掌握工作面礦壓狀況，并根據(jù)實(shí)際情況采取等壓、甩壓等措施。

如兩順槽頂板比較破碎，過(guò)煤柱期間，必須每天對(duì)運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽頂板情況進(jìn)行觀測(cè)、記錄，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)匯報(bào)并加強(qiáng)支護(hù)，保證頂板完好，預(yù)防冒頂傷人事故。

設(shè)備檢修：工作面推進(jìn)至上覆應(yīng)力集中煤柱前100 m 以?xún)?nèi)，對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行全面檢修，重點(diǎn)更換壞的、舊的、保壓值低的安全閥和液壓鎖，保證每臺(tái)支架的推、拉、升、降動(dòng)作靈敏，管路暢通，加強(qiáng)液壓系統(tǒng)的檢修和維護(hù)，保證所有液壓支架能夠達(dá)到初撐力，保證所有支架的立柱、平衡油缸完好，安全閥能夠正常開(kāi)啟。推進(jìn)過(guò)程中設(shè)備不得帶病運(yùn)行，要保證當(dāng)發(fā)生緊急情況需要運(yùn)行時(shí)，工作面設(shè)備應(yīng)該具備隨時(shí)運(yùn)行的條件。

其他準(zhǔn)備工作：做好過(guò)煤柱安全技術(shù)措施的全員宣貫工作。并對(duì)作業(yè)情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，制圖記錄推進(jìn)位置，標(biāo)注清楚煤柱影響范圍。

4.2 進(jìn)入上覆煤柱前50 m

要加大工作面及兩順槽排水能力，防止上覆采空區(qū)積水涌入工作面造成設(shè)備被淹，根據(jù)兩順槽高低情況選擇合適的低洼點(diǎn)設(shè)置水泵位置。

當(dāng)工作面推進(jìn)至上覆應(yīng)力集中煤柱前5～10 m 以?xún)?nèi)，對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行逐漸調(diào)整，適當(dāng)臥底擴(kuò)大采高，調(diào)整高度根據(jù)實(shí)際需求而定；液壓支架支護(hù)狀態(tài)良好，接頂嚴(yán)密，初撐力和工作阻力不得低于設(shè)計(jì)值的80%，采用鄰架手動(dòng)及時(shí)移架，以利于維護(hù)頂板。

4.3 進(jìn)入上覆集中煤柱前30 m

根據(jù)刮板輸送機(jī)上竄下移情況開(kāi)始對(duì)工作面進(jìn)行加刀、甩刀調(diào)斜調(diào)整，過(guò)煤柱，在距離5 m 出煤柱位置時(shí)，保證機(jī)頭、機(jī)尾相差12～15 m 的推進(jìn)度過(guò)煤柱。工作面調(diào)斜圖如圖2 所示。

4.4 進(jìn)入上覆集中煤柱中

推進(jìn)煤柱范圍內(nèi)時(shí)，采高保證調(diào)整到作業(yè)規(guī)程要求范圍內(nèi)，即保證來(lái)壓期間煤機(jī)能順利通過(guò)，又滿(mǎn)足支架推溜的最高采高。

圖2 工作面調(diào)斜圖

工作面生產(chǎn)推進(jìn)過(guò)程中，如果出現(xiàn)設(shè)備故障導(dǎo)致停機(jī)，停機(jī)期間要安排專(zhuān)人對(duì)支架進(jìn)行二次補(bǔ)壓，并定期巡查工作面頂板管理情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理；如果故障停機(jī)期間工作面頂板狀況較差，組織人員提前將超前支架盡可能的拉出、頂在煤壁上，加固頂板和煤壁；當(dāng)工作面壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈時(shí)要用單體和木點(diǎn)柱對(duì)支架增加輔助支撐，防止支架被壓架事故。

工作面生產(chǎn)推進(jìn)過(guò)程中，安排爆破工全程跟班，不得擅自離崗，必須隨叫隨到，隨時(shí)對(duì)工作面出現(xiàn)的大塊矸石、煤塊進(jìn)行放炮處理，處理前，要盡可能保證煤機(jī)停在機(jī)尾頂板條件較好的位置，從機(jī)尾進(jìn)刀割煤，保證頂板冒落的矸石運(yùn)輸暢通。

煤機(jī)司機(jī)要和支架工緊密配合，合理控制煤機(jī)割煤速度，保證支架工能夠?qū)崿F(xiàn)跟機(jī)拉架。支架工拉架時(shí)，液壓支架頂梁必須全斷面接頂，達(dá)到初撐力，如初撐力不足時(shí)，對(duì)支架進(jìn)行二次補(bǔ)壓。并根據(jù)頂?shù)装迤秸群侠碚{(diào)整平衡油缸伸縮量，保證支架的合理架型和支架頂梁接頂效果。

如頂板完整，支架滯后煤機(jī)前滾筒不大于5 架；如頂板破碎，支架要緊跟煤機(jī)前滾筒；如頂板有漏矸現(xiàn)象，在采高允許的情況下，支架工必須根據(jù)端面距盡可能超前拉架，并保證支架接頂效果。

出煤柱5 m 位置前，調(diào)整周期來(lái)壓步距，避免剩余5 m煤柱趕在周期來(lái)壓期間過(guò)。

工作面過(guò)上覆應(yīng)力集中煤柱過(guò)程中，如果工作面某段出現(xiàn)頂板壓力過(guò)大導(dǎo)致有壓架事故或大面積冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)時(shí)，要采取高壓區(qū)加刀、穩(wěn)壓區(qū)甩刀快速推進(jìn)工作面的方式甩壓。

4.5 出煤柱后

出煤柱后5 m 內(nèi)，采高仍然保持調(diào)整采高不變，觀察工作面壓力情況是否達(dá)到穩(wěn)定。

出煤柱5 m 后，如果工作面壓力穩(wěn)定了，采高逐漸調(diào)整開(kāi)采高度。

5 結(jié)論

由于每個(gè)工作面的地質(zhì)條件差別較大，直接頂及以上應(yīng)力影響差別也很大，本文應(yīng)力計(jì)算方法僅為概算，無(wú)法作為通用方法。但可以肯定的是，在工作面進(jìn)入或出煤柱時(shí)，工作面應(yīng)力增加明顯，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，需要加大管控力度。

本文提供地安全管理措施為通用的管理辦法，如出現(xiàn)工作面飄溜起橋、溜子上竄下移嚴(yán)重、機(jī)頭堵大塊嚴(yán)重等情況，還需制定專(zhuān)門(mén)的安全措施進(jìn)行處理。