綜放工作面開采頂板變形控制及災害事故防治

張 宇

（開灤集團礦業工程有限責任公司陜西銅川分公司，陜西 銅川 727000）

0 引 言

綜放開采技術是厚煤層礦區采煤技術的發展方向，在厚煤層開采中放頂煤開采相比于分層開采、大采高開采具有良好的經濟技術優勢，使其占據了主要地位[1-4]。頂煤回收率低是放頂煤開采的一大問題，除此之外，頂板變形特征與穩定性控制也是綜放開采過程中要解決的關鍵問題。針對這一問題國內外學者進行大量研究工作[5-7]。許多的國內學者對綜采放頂煤開采期間的頂板破斷情況與礦壓顯現情況進行了研究，并且取得了優秀的研究成果[7-10]，為放頂煤開采的安全推進奠定了堅實的理論基礎。因此，以崔家溝煤礦2305 綜放工作面為背景，通過理論分析頂板災害事故類型與影響因素，數值模擬研究了頂板破斷失穩特征，確定了綜放工作面頂板礦壓顯現規律，提出了頂板災害事故的防治措施，并對其進行了頂板災害事故處理計劃方案制定，為崔家溝煤礦綜放工作面頂板穩定性控制防治提供了依據。

1 工程背景

陜西省崔家溝煤礦主采4-2 煤，開采標高為+1 414～+790 m，煤層埋深30.08～755.27 m，底板標高+760～+1 430 m，厚度8～26 m，平均厚度18 m，平均可采厚度12 m。主采4-2 煤層直接頂板以粉砂巖為主，部分泥巖，少量細、中砂巖或粗砂巖。泥巖為層狀，水平層理發育，易風化破碎。泥巖RQD 值66.0%，粉砂巖RQD 值39.9%～79.0%，平均58.03%。粗砂巖53.3%，中砂巖79.0%。4-2 煤層頂板力學試驗資料飽和單軸抗壓強度：細砂巖28.30～44.10 MPa，平均36.2 MPa。粉砂巖11.00～18.2 MPa，平均14.75 MPa。粗砂巖12.7 MPa，為軟弱的易冒落頂板，屬弱~中等穩定的易冒落頂板。礦井煤層頂底板條件見表1。

表1 煤層頂底板條件

由于構造帶自身圍巖強度低、采掘面遇到的較小構造時支護不及時，頂幫暴露時間長、開采地質條件復雜多變，造成礦壓顯現相差較大，掌握規律不明顯等原因造成掘進和回采過程中頂板冒落。為此，需要對綜放工作面頂板災害進行分析研究，為綜放工作面穩定性控制提出合理的控制手段與措施。

2 綜放工作面頂板災害分析

2.1 頂板災害事故類型分析

工作面礦壓災害主要為頂板災害、煤壁片幫、支架壓架。據頂板災害成因分析[8-11]，綜采工作面頂板災害主要為端面冒頂、壓垮型冒頂、大面積冒頂。結合崔家溝煤礦地質及生產技術條件，可能的工作面礦壓災害主要為以下方面：

1）端面冒頂。工作面割煤高度大，或工作面推進速度慢時，頂板來壓致煤壁片幫。

2）壓垮型冒頂。當工作面支護強度不足時，直接頂出現臺階下沉，如果支架不能控制頂板進一步下沉，將發生壓垮型冒頂，支架壓死。

3）大面積冒頂。工作面頂板為厚且堅硬的巖層，當頂板來壓步距達50 m 以上時，頂板的自身強度不能承受上覆巖層和自身的質量，容易出現突然的大面積斷裂垮落。

2.2 頂板災害事故影響因素分析

崔家溝煤礦工作面礦壓災害影響因素包括開采深度、煤層厚度等自然因素和支護方式、回采工藝及參數等技術因素?；夭晒ぷ髅娴牡V壓顯現與工作面推進速度、開采深度、工作面面長、采高與控頂距等有關。工作面面長要結合工作面產量和防治煤層自燃及防沖的要求。工作面越長，頂板懸露的面積就會越大，越不容易保持穩定。工作面推進速度會改變頂板的應力變化速率，進而改變頂板的強度，增大或減小頂板抵抗破壞的能力。工作面面長大，推進速度快，頂板初次斷裂步距將大于一般工作面。隨著工作面長度增加，采場來壓步距變小、非來壓期間支架載荷增加、礦壓顯現強度總體上加劇。

崔家溝煤礦開采的4-2 煤覆巖中存在多層堅硬巖層，多種災害并存，工作面推進速度、工作面面長受工作面產量、沖擊地壓防治、自然發火防治的影響和制約。因此，采場頂板災害主要受工作面開采深度、覆巖巖性、工作面推進速度、工作面面長、采高等因素的影響。

3 綜放工作面開采頂板變形特征數值模擬

為了進一步研究綜放工作面頂板破斷規律，采用數值模擬方法，對工作面推進長度不同情況下的破斷規律進行了研究[12-14]。

3.1 初始模型

本文以崔家溝煤礦綜放工作面地質環境為工程背景，利用UDEC 軟件建立數值模型，模型長200 m、高100 m，為降低邊界影響，模型兩側邊界各預留40 m 的過渡區，模型的左右邊界限制水平位移，下部邊界限制垂直位移，頂部施加6 MPa 鉛垂應力。初始模型與巖性關系如圖1 所示。

圖1 初始模型與巖性關系

3.2 不同推進距離頂板破斷特性

為探究不同推進距離下頂板破斷特征，由于是綜放開采，煤層開采高度3.5 m，放煤高度8.5 m，每次開挖長度為10 m，觀測不同頂板的破斷特征，不同推進距離頂板破斷特性如圖2 所示。

圖2 不同推進距離下頂板破斷特征圖

由圖2 可知，當工作面推進10 m 時，頂板比較穩定；推進至20 m 時，偽頂發生垮落，直接頂發生變形；當工作面推進至30 m 時，直接頂垮落填充采空區，基本頂形成鉸接結構；當工作面推進至40 m 時，基本頂鉸接結構擴大，采空區跨度增加；之后工作面繼續推進至50 m 時，基本頂發生初次斷裂，引起工作面的初次來壓現象，上覆巖層出現離層現象；當工作面繼續推進至60 m 時，基本頂發生大面積發生斷裂，工作面切眼處頂板形成倒臺階狀，采場頂板形成懸臂梁結構，此時，由于動載較大，容易引起頂板事故的發生，需要采取相應措施對頂板進行穩定性控制。由上覆巖層破斷特征分析可知，綜放工作面的直接頂垮落步距為20 m，基本頂初次斷裂步距約為40 m 左右，大面積斷裂步距約為50 m 左右。

3.3 基本頂下沉量

為了探究基本頂破斷情況，對不同推進距離的基本頂下沉量進行監測，獲得不同推進距離下基本頂下沉量曲線，如圖3 所示。從圖3 中可知，在工作面推進長度小于50 m，基本頂未出現明顯的彎曲下沉現象，推進長度等于50 m，直接頂斷裂，下沉量明顯增快，當工作面推進長度大于50 m 時，基本頂出現明顯彎曲變形下沉，最大下沉量一般在推進長度一半即為采空區中部，最大下沉5.04 m。

圖3 頂板下沉曲線圖

綜上，在頂板綜放開采中，由于煤層較厚，采用放頂煤開采，煤層上方不同高度的頂板出現不同程度的、階段性頂板垮落下沉變形特征，直接頂最先垮落，隨著工作面不斷推進，基本頂破斷，形成鉸接結構，隨著推進距離的繼續增大，基本頂發生大面積破斷，導致工作面頂板來壓強烈，此時采場頂板穩定性需要采取措施，隨著繼續推進，頂板下沉量逐漸增快，上覆巖層明顯下沉，出現彎曲下沉帶。

4 綜放工作面頂板穩定性控制

4.1 頂板災害事故防治主要措施

為了對綜放工作面頂板穩定性進行有效控制，主要從以下幾個方面提出預防頂板事故的措施。

4.1.1 冒頂事故的預防與處理

2305 工作面為綜放工作面，利用液壓支架對采場頂板進行穩定性控制，采用液壓支架支護采場頂板。要求初撐力不小于30 MPa，并采用壓力記錄儀和雙針壓力表監測支架的工作阻力。超前及端頭支護，要保證支護數量和質量，工作面頂、底平直，移架后支架高低前后一致?？刂乒ぷ髅娌筛?，支架接頂要嚴實，初撐力達到要求。

冒頂處理措施主要包括以下幾個方面：

1）當局部冒頂和片幫時，采取臨時支護，對冒頂區域采取局部鋪網，防止冒頂擴大；

2）當冒頂范圍較大時，立即停止采煤，確認無擴大趨勢時，再采取一定措施控制頂板穩定；

3）處理冒頂時，冒頂范圍內停止其他作業；

4）頂板不穩定區域，暫不允許放煤。

4.1.2 安全放頂技術措施

1）工作面初放時，嚴格觀察頂板動態，兩巷出口處及超前支護區內，應加強支護，所有的單體接頂有力，所有切頂柱必須符合規定，并有3°～5°迎山角。所用單體支柱每根必須測壓，超前支護及出口端頭支護單體初撐力不低于90 kN。

2）上端頭支架上側不大于0.5 m 處支設一趟雙楔梁棚，后至切頂線前至支架前梁，回風順槽超前支護向后延伸至切頂線（延長線上有支架或雙楔梁支護除外），雙楔梁棚與超前棚上幫棚間距大于1.6 m時，雙楔梁棚與超前棚上幫棚間加扶一趟一梁一柱鉸接梁走向棚，后至切頂線前至支架前梁（跨機尾時，機尾前不少于一棚），單體支于鉸接梁中間，先支后回，保證其連續性，單體防倒裝置齊全，切頂線位置傾向打2 排切頂點柱，切頂柱柱距0.5 m。

3）初放期間，人員不得在工作面上下出口處休息或逗留，嚴禁人員越過切頂線進入采空區?；刂鶗r必須設專人負責監護頂板，3 人1 組，1 人監護，2 人作業,并確保其退路暢通。

4）每班堅持對液壓支柱和支護單體的初撐力進行嚴密監測，班前班后對液壓支柱進行二次補壓，保證工作面及2 道支護初撐力達到要求，支架初撐力不小于額定值的80%（壓力表讀數24 MPa），單體初撐力不低于90 kN，防止老頂來壓大面積推垮工作面或端頭。工作面內支架接頂嚴實，端面距不超過規定值，伸出伸縮梁打開護幫板護幫頂板和煤壁，片幫嚴重時及時超前移架。

5）初放期間在兩出口向外150 m 內各準備木垛料、半圓木、單體、礦用工字鋼梁以備接頂支護使用。初放期間每班指派有經驗的老工人觀察頂板，各班班長必須嚴格執行三匯報制度，及時向調度及工區匯報工作面頂板情況，如遇特殊情況必須立即匯報。

6）在運輸能力允許的情況下，積極聯系公司調度室加快工作面推進速度，確?？焖偻ㄟ^初次來壓帶。當工作面推出切眼后，切眼范圍頂板大面積懸頂仍不垮落，要經公司領導組織有關部門現場會審后另編制專門安全技術措施。

7）工作面切頂線往后嚴禁任何人員進入，防止頂板垮落發生傷人事故。工作面初放期間應加強工作面礦壓觀察，作好記錄，工作面初次來壓后，需經生產技術部門簽字批準后方可認為初放結束。加強工作面各設備的檢修工作，確保各設備處于完好狀態。

8）通風隊在初次放頂和初次來壓前，應派專職瓦檢員現場跟班，監測上下隅角有害氣體含量及工作面通風情況，發現問題及時采取有效措施進行處理。

健康SD大鼠，體質量（240±20）g，雌雄各半，天津市山川紅實驗動物科技有限公司提供，實驗動物生產許可證號SCXK（津）2009‐0001。

4.1.3 頂板來壓期間的安全技術措施

通過模擬確定頂板來壓步距，在開采過程中需要及時采取措施，主要措施為：

1）提高支架支撐強度，支架初撐力不小于額定值的80%，泵站提供壓力不小于30 MPa。

2）合理控制推進速度，保持煤壁和頂板完整性。

3）割煤后及時移架，對冒頂片幫區域及時拉移超前支架。

4）加強端頭支護管理。

4.2 頂板災害事故處理

2）對冒頂區域的通風情況進行積極恢復，確保輸送新鮮空氣；

3）處理中應堅持由外向里，避免冒頂矸石狀態再次發生改變，防止傷害遇險人員；

4）加固冒頂區兩端，進行重點支護，防止冒頂事故的擴大；

5）加固好冒頂端頭，用工字鋼進行前探支護，頂部用圓木及板皮絞架，由外向里逐段進行清理。

5 結 論

1）通過分析頂板事故類型，確定采場頂板災害主要受工作面開采深度、覆巖巖性、工作面推進速度、工作面面長、采高等因素的影響。

2）針對2305 綜放工作面地質與開采條件，得出工作面的直接頂垮落步距為20 m，基本頂初次斷裂步距約為40 m 左右，大面積斷裂步距約為50 m 左右?；卷敯l生大面積破斷，導致工作面頂板來壓強烈，此時采場頂板穩定性需要采取措施。

3）提出了綜放工作面頂板事故的防治措施，主要從預防冒頂、放頂安全、來壓安全與支護頂板管理多方面提出技術措施，設計了頂板災害事故的處理計劃，為崔家溝煤礦安全生產提供保障。