楊 春

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦綜放工作面支架被壓死或壓壞的一個(gè)主要原因就是工作面支架工作阻力不夠。當(dāng)工作面直接頂不能充填滿采空區(qū)時(shí)，頂板下沉空間大，而支架的工作阻力不能保證頂板的控制位態(tài)；支架的活柱縮量不能滿足頂板完全著矸的工作面頂板下沉量。另外，工作面生產(chǎn)管理不到位，當(dāng)工作面生產(chǎn)狀況較差時(shí)，頂板出現(xiàn)大范圍的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以上現(xiàn)象的出現(xiàn)容易引發(fā)綜放面壓架事故[1-2]。針對(duì)礦井的實(shí)際條件，采取針對(duì)性預(yù)留頂煤煤柱技術(shù)來控制頂板，在技術(shù)實(shí)施可行性和經(jīng)濟(jì)效益方面都具有重大優(yōu)勢(shì)[3-4]。

1 頂板壓架事故概述

水峪礦井自2011年2月21日開始生產(chǎn)，在初采和正?；夭呻A段，工作面頂板呈現(xiàn)分階段分區(qū)域垮落，曾發(fā)生多次工作面支架被壓死和壓壞的事故。工作面頻繁的壓架事故源于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和生產(chǎn)的不規(guī)范性[3]。分析認(rèn)為工作面支架被壓死和壓壞主要有兩種形式，一是由于工作面頂煤破碎，且在生產(chǎn)過程中被過分放出，頂板運(yùn)動(dòng)空間大，工作面支架上方不能接頂形成空頂，當(dāng)工作面老頂大范圍回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)支架形成一定的沖擊，導(dǎo)致支架壓死或壓壞[4]。二是由于工作面回采厚度大，導(dǎo)致垮落的直接頂不能有效地充填采空區(qū)，工作面基本頂在運(yùn)動(dòng)空間大，當(dāng)工作面支架阻力不能滿足基本頂?shù)目刂莆粦B(tài)或支架活柱縮量不能滿足工作面頂板下沉量時(shí)[5]，在未著矸之前，基本頂會(huì)持續(xù)下沉，導(dǎo)致工作面支架被壓死或壓壞。

2 頂板運(yùn)動(dòng)的壓力顯現(xiàn)預(yù)測(cè)

61052工作面采用ZF15000/26/42型四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架，設(shè)備安裝時(shí)，按照支架出廠設(shè)置參數(shù)，初撐力為 12 778 kN（P=31.4 MPa），支架工作阻力為15 000 kN（P=36.86 MPa），支護(hù)強(qiáng)度為1.45 MPa。2011年5月12日前，工作面基本支架安全閥開啟壓力為36.86 MPa，由于工作面經(jīng)常出現(xiàn)壓壞支架和架前漏煤壓死前部運(yùn)輸機(jī)情況，對(duì)頂板的控制效果不好。5月12日之后，經(jīng)過研究決定將前柱安全閥開啟壓力升高至46.2 MPa（受損修復(fù)的支架為42 MPa，后又統(tǒng)一調(diào)整到46.2 MPa），后柱升高至42 MPa，調(diào)高安全閥開啟壓力后支架額定工作阻力為17 946 kN。

將整個(gè)工作面區(qū)域分為4個(gè)壓力測(cè)區(qū)，從細(xì)節(jié)和整體兩個(gè)方面入手，分別研究工作面周期來壓過程中的壓力顯著階段及整個(gè)過程的壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)，對(duì)比支架工作阻力與顯現(xiàn)壓力，預(yù)測(cè)工作面壓架危險(xiǎn)，既突出重點(diǎn)又不失整體特征。

3 采空區(qū)預(yù)留頂煤煤垛及配套技術(shù)

3.1 配套采煤工藝

61052工作面繼續(xù)采用綜采放頂煤工藝，但部分采煤工藝參數(shù)和設(shè)備有所改變，主要包含有：

1）減小采煤機(jī)截深至700mm，保持采高3.8～4m。

2）更換前部運(yùn)輸機(jī)電機(jī)，把原有的855 kW電機(jī)，更換為1 000 kW電機(jī)，提高前部運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)載能力，減小前部運(yùn)輸機(jī)過載的幾率，并采用TTT平衡加載。

3）工作面泵站壓力由31.5 MPa升高至37 MPa，前柱初撐力標(biāo)準(zhǔn)由25.2 MPa升高至28 MPa，在工作面頂板完整區(qū)域必須保證初撐力達(dá)到規(guī)定值。

4）支架前柱安全閥開啟壓力升高至46.2 MPa，后柱安全閥開啟一律升至42 MPa。

3.2 采空區(qū)預(yù)留煤垛技術(shù)

為避免工作面受到頂板來壓沖擊，采用采空區(qū)預(yù)留頂煤煤垛的技術(shù)及加快推進(jìn)速度的方法，減小頂板來壓強(qiáng)度，其中，采空區(qū)預(yù)留頂煤煤垛技術(shù)主要方法有兩種，一是預(yù)留條形間隔煤垛技術(shù)，二是工作面一線雙十架放煤技術(shù)。其中工作面一線雙十架放煤技術(shù)是在預(yù)留條形間隔煤垛技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過實(shí)踐優(yōu)化而來。

3.2.1 預(yù)留交錯(cuò)條形間隔煤垛技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，以礦壓研究成果和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為主要技術(shù)支護(hù)手段指導(dǎo)煤垛的留設(shè)工作主要包括兩個(gè)方面。一是在工作面推進(jìn)方向上，主要是以周期來壓步距作為留設(shè)煤垛的標(biāo)準(zhǔn)。必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)來壓步距，對(duì)留設(shè)煤垛的工作進(jìn)行提前布置安排。二是支架工作阻力是礦壓顯現(xiàn)的直觀表現(xiàn)，根據(jù)支架工作阻力可以預(yù)測(cè)頂板來壓時(shí)刻，從而指導(dǎo)煤垛的留設(shè)。按目前觀測(cè)結(jié)果，4個(gè)區(qū)域頂板來壓時(shí)前柱工作阻力平均分別為 29.09 MPa、37.13 MPa、37.36 MPa 和 36.12 MPa。以頂板周期來壓過程支架平均末阻力加1倍均方差達(dá)不到上述來壓強(qiáng)度均值。經(jīng)計(jì)算，區(qū)域1—4頂板周壓過程平均末阻力分別加1.6倍、3.4倍、2.4倍和2.1倍均方差才可達(dá)到上述來壓強(qiáng)度均值。

1）面長方向分區(qū)域控制放煤。根據(jù)工作面面長方向不同區(qū)域來壓特點(diǎn)，將工作面面長方向劃分為4個(gè)區(qū)域?qū)Ψ琶哼M(jìn)行控制，分別為區(qū)域1（1號(hào)—30號(hào)）、區(qū)域2（31號(hào)—70號(hào)）、區(qū)域 3（71號(hào)—100號(hào)）和區(qū)域4（101號(hào)—140號(hào)）。

2）走向方向按步距控制放煤。沿推進(jìn)方向，以平均周期來壓步距（20 m）對(duì)放煤時(shí)間進(jìn)行控制，在每個(gè)周期來壓步距內(nèi)頂板來壓時(shí)約割煤5～7刀（3.5 m～4.9 m）不放煤，不放煤步距基本與工作面平均顯著來壓步距（5 m）基本相當(dāng)，即在來壓期間不放煤可形成滿足要求的最大煤垛高度。

3）交錯(cuò)條形間隔煤垛內(nèi)局部支架放煤。在每個(gè)不放煤區(qū)域內(nèi)，仍可以以8架為單位對(duì)放煤進(jìn)行控制，相鄰條形內(nèi)放煤與不放煤間隔進(jìn)行。采空區(qū)留設(shè)煤垛控制頂板下沉量需要時(shí)間（來壓時(shí)刻的判斷）和空間（工作面推進(jìn)方向和面長方向）的相互配合，同時(shí)也需要在實(shí)踐中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行不斷完善。

3.2.2 工作面一線雙十架放煤技術(shù)

根據(jù)上述留煤垛控制礦壓基本思路，配合綜采隊(duì)在實(shí)踐中對(duì)留煤垛技術(shù)從實(shí)際可操作性及經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了研究和創(chuàng)新，提出了全工作面一線雙十架放煤技術(shù)，其技術(shù)要點(diǎn)如下：

1）工作面頂板相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期。采用兩采一放雙輪順序放煤或三輪順序放煤補(bǔ)充煤量。正常放煤期間，以下幾種情況不放煤：采空區(qū)大面積懸頂時(shí)不放煤、支架活柱壓縮量大時(shí)不放煤、特殊條件不放煤。

2）工作面頂板顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期。工作面頂板周期來壓期間，仍然以快推為主，放煤為輔的方式進(jìn)行甩壓。具體放煤操作方式為：全工作面一線雙十架放煤技術(shù)，即工作面在同一個(gè)推進(jìn)位置，全工作面范圍內(nèi)從上部到下部主動(dòng)放十個(gè)支架后部頂煤，留十個(gè)支架后部頂煤，依次類推。采空區(qū)內(nèi)間隔留條形煤垛，支撐采空區(qū)頂板，控制工作面頂板下沉量。工作面頂板壓力大的區(qū)域，不放煤。支架超高區(qū)域，不放煤。支架架態(tài)不好，低頭嚴(yán)重處不放煤。

4 頂板控制效果

通過改變來壓期間放煤方式，即從原來的工作快速推進(jìn)不放煤到雙十架放煤，不但提高了工作面頂煤放出高度，而且采空區(qū)留間隔條形煤垛，支撐采空區(qū)頂板，對(duì)周期來時(shí)工作面頂板下沉量得控制也得到了顯著的效果。工作面沒有出現(xiàn)支架被壓死情形，活柱縮量在可控范圍內(nèi)。目前達(dá)到較理想的頂板控制效果，實(shí)際上是支架“限定變形”和“采空區(qū)留煤垛”支撐頂板共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。

5 結(jié)論

61052工作面頂板災(zāi)變運(yùn)動(dòng)形成的壓架事故的直接原因是工作面支架阻力的不足。從頂板運(yùn)動(dòng)方面講，老頂斷裂回轉(zhuǎn)空間大，工作面支架阻力或活柱縮量不能滿足老頂控制位態(tài)，形成壓架事故。

1）壓力顯現(xiàn)監(jiān)測(cè)分析。通過監(jiān)測(cè)，頂煤切頂線位于后立柱前方，后柱工作阻力小。頂板顯著運(yùn)動(dòng)過程，前柱及整架工作阻力分別為38.99～42.78 MPa及11 628～13 057 kN。頂板周期運(yùn)動(dòng)過程，前柱及整架工作阻力分別為 25.19～26.56 MPa及 7 308～7 961 kN。以整架阻力計(jì)算動(dòng)載系數(shù)為1.72～2.08?？傮w來說，61052綜放工作面屬于來壓強(qiáng)烈的工作面。

2）頂板控制理論及技術(shù)。支架在“給定變形”狀態(tài)下工作，支架富余伸縮量為-294 mm，支架會(huì)被壓死；支架在“限定變形”條件下，發(fā)揮理論最大工作阻力（12 220 kN），支架富余伸縮量177 mm，當(dāng)生產(chǎn)條件不好時(shí)，仍有壓死支架危險(xiǎn)。綜上所述，必須從改變支架工作狀態(tài)和提高采空區(qū)充填率兩方面入手，提出并實(shí)施支架“限定變形”工作狀態(tài)+“采空區(qū)留頂煤間隔煤垛”兩項(xiàng)主導(dǎo)技術(shù)。

[1] 顧鐵鳳，宋選民.封閉采空區(qū)頂板垮落-空氣沖擊耦合模型與差分解法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008（11）：1 211-1 215.

[2] 息金波.采場(chǎng)頂板大面積垮落的颶風(fēng)災(zāi)害的理論研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006：11-18.

[3] 宋選民，顧鐵鳳.頂板受沖擊垮落的理論分析及工程應(yīng)用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（6）：609-612.

[4] 熊仁欽.采場(chǎng)頂板大面積冒落的破壞性及防治原理[J].礦山壓力與頂板管理，1995（1）：35-38.

[5] 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（3）：38-41.