淺埋深超大采高工作面反復(fù)切頂分析與防治措施研究

曲秋揚(yáng)

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地(榆林)開采工程技術(shù)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引 言

陜北榆神礦區(qū)是我國(guó)煤炭?jī)?yōu)質(zhì)資源產(chǎn)區(qū)，該煤層具有儲(chǔ)量大、賦存單一、發(fā)熱量高、埋深淺等特點(diǎn)[1-2]。目前，該礦區(qū)主要開采3號(hào)煤層，該煤層薄基巖、厚松散層的地質(zhì)特征使得煤炭回采過程中容易發(fā)生頂板切頂和壓架事故[3-4]，給安全生產(chǎn)帶來了重大隱患。針對(duì)類似的地質(zhì)問題，我國(guó)學(xué)者從礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、覆巖破斷機(jī)理、結(jié)構(gòu)理論與假說、壓架機(jī)理等多方面進(jìn)行了研究。張國(guó)恩等[5]研究了烏蘭木倫礦工作面及順槽的礦壓規(guī)律；曹啟正[6]通過分析涼水井42107工作面回撤期間大面積切頂壓架事故，提出雙關(guān)鍵層、大小周期壓理論等；黃慶享等[7]提出了淺埋煤層初次來壓的“非對(duì)稱三角拱”和周期來壓的“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型；金璐[8]、薛東杰等[9]、黃正全[10]研究了覆巖破壞頂板裂隙發(fā)育情況及煤礦的突水潰水性；侯忠杰[11]、方新秋等[12]、董愛菊等[13]研究了厚松散層對(duì)工作面頂板管理的作用及來壓機(jī)理，指出黏土層的厚度對(duì)頂板的穩(wěn)定性具有積極性作用；許家林等[14]認(rèn)為松散承壓含水層的載荷易導(dǎo)致薄基巖條件覆巖關(guān)鍵層產(chǎn)生復(fù)合破斷，從而造成基巖的整體破斷和砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)；石平五等[15]薄基巖在厚沙覆蓋層作用下的整體切落是頂板破斷運(yùn)動(dòng)的主要方式。郝家梁煤礦南部火燒區(qū)使得煤層尖滅、基巖變薄，工作面推采過程中基巖由薄到厚，使得來壓強(qiáng)度、步距前后不一致，前人的研究成果已經(jīng)無法直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，因此需要單獨(dú)探討具體成因與防治措施。

1 工作面基本開采條件

30106工作面走向長(zhǎng)1 848 m，傾向長(zhǎng)220 m，平均煤層厚8.5 m，埋深140～200 m，由切眼至回撤通道煤層埋深逐漸增加。工作面東北部為工業(yè)廣場(chǎng)，西南部為備采工作面，東南部為該井田的火燒區(qū)，西北部為井田邊界。采掘工程平面如圖1所示。

圖1 采掘工程平面圖Fig.1 Layout of mining face of excavation engineering

3號(hào)煤層上覆基巖厚度由切眼至回撤通道逐漸變薄，具體鉆孔描述情況見表1。由表1可知，切眼處大部分基巖處于風(fēng)化裂隙帶中，強(qiáng)度較小，全工作面土層較厚，為典型淺埋深薄基巖厚松散層類型。

表1 30106工作面鉆孔描述表Table 1 Drilling description of 30106 working face

該工作面采用超大采高一次采全高開采，配備MG1000/2550-GWD型采煤機(jī)，采高為7.0 m，液壓支架型號(hào)為ZY18000/34.5/74，最大支護(hù)高度7.4 m，液壓泵站額定壓力為31.5 MPa。由于該煤層的特殊地質(zhì)條件，采用超大采高開采時(shí)，煤層上覆巖層破壞劇烈，極易發(fā)生切頂。

2 30106工作面切頂特征

30106綜采工作面回采過程中共發(fā)生切頂事故16次，事故統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 30106工作面來壓切頂事故Table 2 Roof cutting accidents of 30106 working face

由表2可知30106工作面切頂特征如下所述。①范圍廣、下沉量大、動(dòng)載強(qiáng)烈。切頂范圍50架次以上的占比為56%，最大可達(dá)96個(gè)支架；下沉0.5 m以上的切頂事故占比75%，最大下沉量為1.0 m，次數(shù)達(dá)5次。 而且由于來壓的作用，甚至發(fā)生了壓死運(yùn)輸機(jī)的事故。由此可見，礦壓顯現(xiàn)十分劇烈。 ②架前切頂具有見方特征，工作面寬度220 m，450 m處切頂處于2次見方范圍；643.7～664.8 m處切頂，處于3次見方范圍；871.7 m處切頂，處于4次見方范圍；1 048.3～1 105 m處切頂，處于5次見方范圍；1 402.2 m處切頂，處于6次見方范圍；1 526～1 601 m處切頂屬于7次見方范圍。通過統(tǒng)計(jì)歷次切頂事件發(fā)生位置可知，具有見方切頂特征。③切頂時(shí)，地表迅速形成臺(tái)階下沉。統(tǒng)計(jì)6月18日—7月6日的地表塌陷情況，部分來壓時(shí)地表臺(tái)階下沉位置與工作面推采位置正對(duì)應(yīng)，如6月18日、6月20日和6月24日；多數(shù)來壓時(shí)地表臺(tái)階下沉位置略滯后于工作面推采位置，滯后距離4.7～22.5 m不等，均在周期來壓步距范圍，切頂動(dòng)載能夠作用于工作面支架上(圖2)。

圖2 地表臺(tái)階下沉與工作面推采位置對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding between surface bench subsidence and mining position of working face

3 架前反復(fù)切頂原因

1) 煤層賦存條件。30106工作面埋深淺、基巖薄且具有厚松散層，來壓時(shí)容易發(fā)生薄基巖層與上覆巨厚松散隨動(dòng)層的整體切落破斷，并且破斷后頂板巖層難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，僅僅依靠破斷面滑動(dòng)摩擦力抑制破斷巖層的下沉運(yùn)動(dòng)，使得巨厚破斷巖層的殘余重量直接傳遞作用于支架上，導(dǎo)致支架無法承受該動(dòng)載，進(jìn)而發(fā)生架前切頂。

2) 來壓步距大、動(dòng)載強(qiáng)度大。 由表1可知，大范圍、大下沉量切頂時(shí)基本推進(jìn)至600 m以后。 此時(shí)，工作面上覆基巖變厚，頂板具有一定的穩(wěn)定性，但無法形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，隨著基巖越來越厚，破斷基巖越來越長(zhǎng)，造成來壓步距變大，導(dǎo)致動(dòng)載更加強(qiáng)烈。

3) 支架支護(hù)強(qiáng)度不足。30106超大采高綜采工作面的礦壓曲線分析如圖3所示。由圖3可知，非來壓時(shí)，支架壓力增阻小，由初撐力到末阻力呈近水平分布；來壓時(shí)，支架壓力呈急增阻，由初撐力至末阻力呈類似于指數(shù)函數(shù)分布。

圖3 62號(hào)支架礦壓曲線圖Fig.3 Rock pressure curve of No.62 support

30106超大采高工作面正常來壓和架前切頂來壓特征參數(shù)見表3。 由圖3和表3可知，在正常來壓或未發(fā)生架前切頂?shù)那闆r下，支架平均工作阻力分別為17 014 kN、18 199 kN；支架額定工作阻力18 000 kN左右，動(dòng)載系數(shù)1.42和1.57，表明支架工作阻力富余量不足，動(dòng)載強(qiáng)烈；在發(fā)生架前切頂時(shí)，支架壓力比正常來壓又提升了23.9%和15.8%，動(dòng)載系數(shù)提升了24.6%和12.7%，實(shí)際載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出支架額定工作阻力，表明支架不能滿足架前切頂時(shí)的控頂要求。

表3 超大采高工作面來壓與切頂時(shí)支架壓力特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of support pressure during pressure and roof cutting in super high working face

4 切頂壓架防治策略

根據(jù)郝家梁煤礦30106工作面架前反復(fù)切頂情況提出以下相應(yīng)的防治策略。

1) 增加支架工作阻力，提升支架主動(dòng)控頂效能。①支架額定工作阻力由18 000 kN提升至21 000 kN。根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制造水平可以達(dá)到此水平，但是更換設(shè)備需要巨大的投資，因此該方案實(shí)際執(zhí)行較為困難。 ②提高乳化液泵站額定壓力，可由31.5 MPa提升至37.5 MPa或以上。通過提高泵站壓力促進(jìn)初撐力的升高，進(jìn)而可提高支架對(duì)頂板的主動(dòng)支護(hù)能力，防止頂板過早離層和架前切頂，盡可能將切頂線落在支架后方采空區(qū)，從而降低來壓強(qiáng)度，以及動(dòng)載沖擊。

2) 主動(dòng)改變頂板破壞垮落形式，降低來壓步距和來壓強(qiáng)度，使“整體切頂”變?yōu)椤胺执尉植科茢唷薄按笃茢嗖骄唷弊優(yōu)椤靶∑茢嗖骄唷?。主要可采用兩種方式：①深孔水力壓裂弱化基巖層理，逐層垮落。采用深孔水力壓裂技術(shù)弱化基巖層層理，使基巖層的整體性受到人為破壞，由單一厚層分割為各個(gè)薄層，工作面推采過程中能夠及時(shí)逐層向上破斷，避免由于基巖層垮落不及時(shí)而造成上覆厚載荷層的長(zhǎng)距離破斷，從而縮短來壓步距，降低來壓強(qiáng)度，使得頂板切落載荷控制在支架可承受范圍內(nèi)。②深孔預(yù)裂爆破技術(shù)強(qiáng)制放頂，逐段垮落。采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)處理基巖層及若干載荷層，豎向形成裂紋或弱面，進(jìn)行強(qiáng)制放頂。在垂向剖面上，炮孔作用使頂板分次垮落，不發(fā)生整體切落破斷造成沖擊動(dòng)載；在水平方向上，炮孔作用縮小頂板破斷步距和破斷范圍，不發(fā)生大范圍劇烈來壓(圖4和圖5)。

圖4 水力壓裂鉆孔傾向剖面Fig.4 Hydraulic fracturing borehole dip profile

圖5 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置方案Fig.5 Drilling arrangement scheme of deep hole presplitting blasting

3) 工作面管理措施。①工作面保持較快、均衡的速度推進(jìn)，合理的推進(jìn)速度應(yīng)不低于8 m/d。工作面發(fā)生切頂后，破斷頂板形成暫時(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)日推進(jìn)速度與工作面礦壓顯現(xiàn)特征分析，當(dāng)推進(jìn)速度不超過8 m/d時(shí)，頂板來壓時(shí)局部支架下沉量大；超過8 m/d后，頂板來壓時(shí)支架下沉量減小。由此可見，工作面推進(jìn)速度較慢時(shí)，頂板破斷結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)，易引發(fā)頂板異常下沉。②透明地質(zhì)。采前掌握工作面地質(zhì)情況，在地質(zhì)條件發(fā)生變化區(qū)域，如基巖變薄、地表溝谷、隱伏斷層、富含水區(qū)等，制定專門的安全推采方案；開采過程中，如遇到頂板巖層、巖性發(fā)生變化時(shí)，地測(cè)科進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)確認(rèn)、評(píng)估，制定不影響生產(chǎn)的可行辦法。③加強(qiáng)日常管理。損壞的安全閥及時(shí)更換，并合理利用平衡油缸，避免支架“栽頭”；保證支架初撐力，避免或減弱頂板離層，當(dāng)工作面連續(xù)超過3個(gè)支架初撐力不足，或壓力集中區(qū)域有1個(gè)支架初撐力不合格時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行考核；工作面來壓時(shí)，必須保證工作面支架初撐力不低于25 MPa，并增加二次補(bǔ)壓人員。

5 防治實(shí)踐

針對(duì)30106工作面切頂事故提出的防治措施，對(duì)30107工作面也進(jìn)行了實(shí)施，具體方案為：①采前地質(zhì)異常區(qū)和見方危險(xiǎn)區(qū)域劃分；②嚴(yán)格落實(shí)工作面初撐力及架形管理，帶壓擦頂移架等；③工作面礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警；④在30107工作面切眼處施工深孔爆破放頂眼。

采取以上防治措施后，30107工作面初次來壓步距控制在22.4 m，支架壓力如圖6所示，由圖6可知，后5次周期來壓步距分別為26.7 m、15.9 m、11.0 m、7.2 m、11.8 m，來壓強(qiáng)度較小，未發(fā)生切頂事故。第一次切頂發(fā)生在推進(jìn)至281.0 m處，頂板斷裂，但應(yīng)用礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了及時(shí)預(yù)警并采取了加強(qiáng)工作面支護(hù)管理措施，切頂幅度較小，沒有造成壓架事故。

圖6 30107工作面初次來壓期間支架壓力Fig.6 Support pressure during first weighting in 30107 working face

6 結(jié) 論

1) 郝家梁煤礦30106工作面頻繁切頂?shù)奶卣鳛榉秶蟆?qiáng)度高、速度快、見方切頂，由地表至井下整體切落特征明顯。

2) 分析切頂原因?yàn)榛鶐r薄、松散層厚，無法形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)而造成整體切頂；基巖變厚后，步距變大，強(qiáng)度增大，易造成大幅度支架下縮；支架的支護(hù)強(qiáng)度不足。

3) 具體防護(hù)措施為更換乳化液泵，提高支架初撐力；對(duì)基巖進(jìn)行處理，逐層、逐段垮落，減小其來壓步距，弱化來壓強(qiáng)度。通過30107工作面實(shí)際實(shí)施結(jié)果可得，采取多項(xiàng)措施后，30107工作面來壓步距有減小趨勢(shì)，并且來壓強(qiáng)度明顯小于30106工作面，措施效果較明顯。