徐剛

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

頂板事故一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要事故，根據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局出版的《“十一五”期間全國(guó)煤礦事故分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，在“十一五”期間，頂板事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占所有事故起數(shù)和死亡人數(shù)的52.9%和38.1%，位列第一。對(duì)于綜采工作面，頂板事故主要是大面積頂板垮落和來壓。針對(duì)堅(jiān)硬頂板的綜采工作面會(huì)發(fā)生大面積垮落，影響工作面的安全生產(chǎn);非堅(jiān)硬頂板有時(shí)會(huì)發(fā)生大面積來壓現(xiàn)象，再提高支架工作阻力也不能完全避免，如鄂爾多斯地區(qū)的酸刺溝煤礦，綜放工作面支架工作阻力為15000kN;扎賚諾爾地區(qū)的鐵北、靈泉煤礦，支架工作阻力達(dá)到了8000kN;龍固煤礦1301綜放工作面支架工作阻力為11000kN;同煤塔山礦支架工作阻力達(dá)12000kN;天地精煤礦工作面支架工作阻力8800kN，均發(fā)生了多次大面積來壓。

為此，研究綜采工作面發(fā)生大面積來壓的原因非常重要，本文以支架工作阻力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析頂板大面積來壓的原因和征兆。

1 大面積來壓的形式

大面積頂板來壓主要有2種。

第1種為堅(jiān)硬頂板 (基本頂硬度系數(shù)f一般大于6，且整體性好)的大面積突然來壓或垮落，主要特征是來壓瞬間發(fā)生，頂板一次垮落面積較大，形成暴風(fēng)。堅(jiān)硬頂板大面積來壓時(shí)，一次冒落的面積少則幾千平方米，多則幾萬甚至幾十萬平方米，這樣大面積的頂板巖層冒落，時(shí)間極短，形成了強(qiáng)大的沖擊力，更為嚴(yán)重的情況是冒落頂板將采空區(qū)的空氣瞬間壓出，形成巨大的暴風(fēng)，頂板冒落的沖擊力大部分作用在采空區(qū)，一部分作用在控頂區(qū)內(nèi)的支架上，其破壞力是相當(dāng)大的;而暴風(fēng)以極大的速度摧倒各種設(shè)施和人員，造成人員和財(cái)產(chǎn)的損失［1］。針對(duì)堅(jiān)硬頂板大面積來壓發(fā)生的原因和機(jī)理已進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)此十分重視，其防治措施主要是采用切眼和兩巷深孔爆破，應(yīng)用效果較好［2］。

第2種為非堅(jiān)硬頂板的大面積來壓，主要表現(xiàn)形式是工作面切頂和壓架，發(fā)生時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，如圖1所示。此種形式大面積來壓常容易被忽視，認(rèn)為工作面頂板為非堅(jiān)硬頂板，采用強(qiáng)度較高支架可以避免發(fā)生大面積來壓現(xiàn)象，實(shí)際上導(dǎo)致非堅(jiān)硬頂板大面積來壓原因是多方面的，如埋深較淺、支架工作阻力較小、初撐力較低、工作面推進(jìn)速度慢、頂板富含水等。

圖1 非堅(jiān)硬頂板工作面大面積來壓示意

2 非堅(jiān)硬頂板大面積來壓原因分析

工作面支護(hù)強(qiáng)度較低，無法滿足工作面支護(hù)要求，當(dāng)來壓時(shí)工作面易發(fā)生壓架或大面積切頂。有的工作面支護(hù)強(qiáng)度較高但常發(fā)生壓架事故，因此需要研究該類工作面大面積來壓的原因。

2.1 初撐力較低

鐵北礦右三片工作面和右四片工作面都開采Ⅱ2a煤層，采用ZF8000/18/35型放頂煤支架。右三片工作面發(fā)生多次大面積來壓，在7月15日近工作面全長(zhǎng)的1/3支架被壓死;右四片工作面沒有發(fā)生過大面積來壓，工作面開采順利。通過對(duì)鐵北礦右三片和右四片工作面礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，右三片發(fā)生大面積來壓，右四片沒有發(fā)生大面積來壓，其原因是多方面的，重要原因之一是右四片支架初撐力高于右三片工作面，2個(gè)工作面初撐力對(duì)比如圖2所示。

圖2 右三片和右四片工作面初撐力對(duì)比

支架初撐力的主要作用是主動(dòng)支護(hù)工作面頂板，防止因頂板早期離層和下沉導(dǎo)致頂板整體性和穩(wěn)定性下降。初撐力越低，工作面頂板在控頂區(qū)內(nèi)下沉量越大，越容易在煤壁處發(fā)生切頂或大面積來壓現(xiàn)象，工作面控頂區(qū)頂板下沉量用下式計(jì)算［3］:

式中，SD為頂板相對(duì)下沉量，mm;Fm為末阻力，kN;F0為初撐力，kN;Fm－F0為增阻量，kN;Ld為頂梁長(zhǎng)度，m;l為循環(huán)進(jìn)尺，m;K為底板－支架－頂板串聯(lián)抗壓縮剛度，kN/mm。

從上式可知，頂板下沉與增阻量和底板－支架－頂板串聯(lián)抗壓縮剛度有關(guān)。初撐力增大，壓縮了底板浮煤和頂板破碎層，串聯(lián)剛度提高，減小了每個(gè)循環(huán)頂板下沉量。

另外，從式 (1)可知，下沉量與增阻量成正比，增阻量越大，頂板下沉量越大。通過研究多個(gè)工作面礦壓數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，初撐力越大，高增阻量分布在低的區(qū)間的可能性越小;初撐力越小，高增阻量分布在低的區(qū)間可能性就越大，如圖3所示。

圖3 工作面初撐力對(duì)增阻率的影響關(guān)系

2.2 支架支撐效率較低

對(duì)于支撐掩護(hù)式支架，前后柱受力不均衡，影響支架的支撐效率，表1和表2為鐵北礦右三片和右四片工作面前后柱對(duì)比表。

從表1，表2可知，右三片工作面前后柱壓力差abs(P前－P后)平均為729kN，占到立柱額定值PH=(2000kN)的36%;右四片工作面前后柱壓力差平均為551kN，占到立柱額定值的28%，右三片工作面前后立柱差值比右四片高178kN，整架相差2×178kN=356kN。根據(jù)Ⅱ2a煤層地質(zhì)條件，工作面支護(hù)強(qiáng)度需為1.0MPa，而ZF8000/18/ 35支架支護(hù)強(qiáng)度為1.1MPa，說明支架可以滿足支護(hù)要求，而由于支架前后柱受力不均衡使支架支撐效率較低，實(shí)際沒有達(dá)到額定的支護(hù)強(qiáng)度，導(dǎo)致工作面發(fā)生壓架。

表1 右三片工作面前后柱受力對(duì)比

表2 右四片工作面前后柱受力對(duì)比

2.3 工作面推進(jìn)速度較慢

工作面推進(jìn)速度影響工作面覆巖應(yīng)力降低區(qū)和周圍煤巖體破壞區(qū)的范圍的大小，工作面快速推進(jìn)時(shí)不能使采場(chǎng)圍巖充分卸壓，圍巖受破壞程度較小，具有較好的完整性，若將巖體視為黏彈性體，推進(jìn)速度越快，巖體的黏性變形時(shí)間就越短，巖體的黏性變形不易得到充分發(fā)展，總的變形量也就越小，基本頂受采動(dòng)破壞的程度相對(duì)較小，而當(dāng)工作面推進(jìn)較慢時(shí)，基本頂受到采動(dòng)破壞的程度相對(duì)較大［4］。

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生大面積來壓的工作面都存在推進(jìn)速度較慢，或是在壓架前工作面停產(chǎn)的現(xiàn)象。如酸刺溝煤礦6上105－2工作面在4月22日壓架前2d(4月19日和20日)工作面停產(chǎn)，如圖4所示。

同時(shí)，對(duì)大地精煤礦工作面推進(jìn)速度和支架工作阻力關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)速度越快，工作面支架工作阻力越小，反之，支架工作阻力越大。圖5為大地精煤礦3301工作面推進(jìn)速度與支架受力關(guān)系，從圖中可知，當(dāng)工作面日推進(jìn)速度為1m左右時(shí)，支架工作阻力為8200kN，則當(dāng)工作面日推進(jìn)速度 13m時(shí)，支架工作阻力只有6000kN。

圖4 酸刺溝煤礦6上105－2工作面90號(hào)支架工作阻力曲線

圖5 3301工作面推進(jìn)速度與支架受力關(guān)系

3 結(jié)論

(1)分析了大面積來壓的不同形式，主要分為堅(jiān)硬頂板突然垮落的沖擊性大面積來壓和非堅(jiān)硬頂板的切頂大面積來壓。

(2)非堅(jiān)硬頂板大面積來壓主要是由于頂板的累積下沉量較大，造成頂板在煤壁處切落，導(dǎo)致大面積來壓。

(3)從實(shí)測(cè)角度分析了大面積來壓的主要原因是初撐力不足，支架支撐效率較低，工作面推進(jìn)速度較慢等。

［1］熊仁欽.頂板大面積來壓破壞機(jī)理的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1995，20(S1):38－39.

［2］張學(xué)亮，賈光勝，徐 剛.深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板參數(shù)優(yōu)化分析［J］.煤礦開采，2010，15(1):26－27.

［3］史元偉.采煤工作面圍巖控制原理和技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］王曉振，許家林，朱衛(wèi)兵，等.淺埋綜采面高速推進(jìn)對(duì)周期來壓特征的影響［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(3): 349－354.