綜采工作面設計與頂板安全

高艷春

(國能神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著礦井支護裝備水平的不斷提高，頂板事故比例逐年下降，但從全國煤礦事故統(tǒng)計來看，頂板事故仍然是煤礦發(fā)生頻率最高、死亡人數(shù)最多的事故類型，僅2019年頂板事故發(fā)生次數(shù)和死亡人數(shù)分別占全國煤礦死亡事故總數(shù)的18.2%和27.2%。加強頂板管理，消除頂板隱患，仍然是礦井安全管理工作中非常重要的一部分。在設計源頭上合理選擇工作面寬度，優(yōu)化工作面布置方式，減小工作面上覆集中煤柱、地表溝谷和工作面空巷等特殊地質(zhì)條件的開采影響等，對礦井頂板安全管理有著至關(guān)重要的作用。

1 合理選擇工作面寬度

石圪臺煤礦3-1煤層上覆松散層厚度0～74 m，上覆基巖厚64～147 m，煤層埋深65.8～175.6 m，3-1煤層與2-2煤層間距23.45～52.03 m，平均間距34.99 m。

3-1煤層直接頂巖性為中粒砂巖、粉砂巖、細粒砂巖，中粒砂巖塊狀層理，粉砂巖夾細粒砂巖薄層，細粒砂巖泥質(zhì)膠結(jié)，斜層理及變形層理，直接頂厚度3.4～11.2 m，平均厚度7.5 m；老頂巖性為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，局部硅質(zhì)，泥質(zhì)膠結(jié)，自上而下粒度漸粗，其中砂質(zhì)泥巖波狀層理，細粒砂巖上部水平層理，下部波狀層理為主，成分及結(jié)構(gòu)成熟度較高，石英、長石含量達95%，老頂厚度10.2～32.6 m，平均厚度27.5 m；直接底巖性為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖，粉砂巖水平層理，局部夾細砂巖薄層，砂質(zhì)泥巖水平層理，細粒砂巖成分有石英、長石、云母，含少量黑色礦物泥質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬，直接底厚度3.5～10.55 m，平均厚度5.3 m。3-1煤層綜采工作面配套液壓支架型號為ZY12000/25/50D或ZY18000/25/45D，其液壓支架中心距分別為1.75 m、2.05 m，支護強度均為1.52 MPa。

1.1 工作面寬度與礦壓的關(guān)系

綜采工作面初次來壓和周期來壓步距與工作面寬度呈負相關(guān)關(guān)系，工作面越寬，初次來壓步距及周期來壓步距越小，在工作面寬度達到一定值后，來壓變化變小[1-2]。另外，對石圪臺煤礦3-1煤層8個綜采工作面寬度、非來壓與來壓期間的支架壓力、動載系數(shù)進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表1。

表1 3-1煤層綜采工作面礦壓統(tǒng)計

礦井3-1煤層綜采工作面寬度小于230 m時，動載系數(shù)逐漸減小；工作面寬度大于230 m后，動載系數(shù)逐漸增大，如圖1所示。

圖1 3-1煤層綜采工作面寬度與動載系數(shù)擬合曲線

1.2 按支架阻力確定工作面寬度

根據(jù)支架阻力適應頂板冒落高度原則，確定最大工作面寬度。按照普氏壓力拱理論，在頂板基巖較厚，風積沙載荷層很薄的情況下，由支架的支護強度優(yōu)化確定工作面的寬度[3-7]，故保證3-1煤層工作面圍巖控制安全的工作面寬度應為

B≤2fP/Ksγ

(1)

式中，P為液壓支架的支護強度，1.52 MPa；Ks為安全系數(shù)，取Ks=1.7；γ為頂板加權(quán)平均容重，γ=2.34 t/m3；f為頂板巖石普氏硬度系數(shù)，取其平均值3.7。

經(jīng)計算，石圪臺煤礦3-1煤層綜采工作面寬度應不大于283 m。

結(jié)合盤區(qū)開采規(guī)劃及工作面寬度與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系，采用工程類比法確定石圪臺煤礦3-1煤層綜采工作面寬度為260～320 m。

2 合理選擇工作面的布置方式

2.1 工作面過集中煤柱

通過對石圪臺煤礦3-1煤層3個綜采工作面過上覆集中煤柱發(fā)生的動載礦壓情況進行統(tǒng)計，見表2。分析發(fā)現(xiàn)：淺埋近距離煤層工作面在過上覆集中煤柱的過程中，動載礦壓大多發(fā)生在出煤柱階段，在下煤層工作面推出上覆集中煤柱邊界時，頂板突發(fā)切落式破壞，這種切落結(jié)構(gòu)不能維持其自身穩(wěn)定性，對下煤層工作面產(chǎn)生沖擊作用，造成動載礦壓[8]；下煤層工作面過房采集中煤柱的來壓強度要遠大于過其他類型的集中煤柱(表1)。布置如圖2所示。

表2 石圪臺煤礦綜采工作面過上覆集中煤柱動載礦壓統(tǒng)計

圖2 3-1煤層201～202工作面與上覆煤柱的位置關(guān)系

在工作面布置設計時應明確上覆集中煤柱的分布情況，同時要充分考慮下煤層工作面的開采規(guī)劃布置，然后優(yōu)化工作面巷道布置，避免出現(xiàn)工作面整體同步出煤柱的開采情形。

合理選擇綜采工作面遺留集中煤柱的走向布置：優(yōu)化下煤層綜采工作面的推進方向，將綜采工作面推進方向與上覆集中煤柱的走向平行或呈一定夾角布置，如圖3所示。

圖3 31306綜采工作面與上覆煤柱的位置關(guān)系

石圪臺煤礦31306綜采工作面與上覆孤島集中煤柱走向呈87.89°夾角布置，同時在工作面推采過上覆集中煤柱期間，及時采取頂板定向長鉆孔水力壓裂和調(diào)斜措施，確保了工作面回采安全，其與3-1煤層二盤區(qū)工作面上覆集中煤柱呈90°的布置方式相比，效果明顯。

合理選擇工作面切眼與停采線位置：使得出上覆集中煤柱邊界位于工作面開采范圍之外或避開工作面過集中煤柱危險區(qū)域。石圪臺煤礦統(tǒng)計出工作面過上覆集中煤柱的危險區(qū)域見表3。工作面布置如圖4所示。

圖4 綜采工作面與上覆采空區(qū)位置關(guān)系

表3 綜采工作面過上覆集中煤柱危險區(qū)域統(tǒng)計

工作面順槽采用內(nèi)錯式或外錯式布置：合理避開上覆集中煤柱應力影響區(qū)域。對于上覆10 m的集中煤柱，隨著開采煤層距離的增加，附加應力逐漸減小，當煤層間距30 m以上時，垂直應力降至原巖應力的1.14倍，按應力擴散角34°計算，此處應力為煤柱正下方的35%，如果擴散角按45°計算，則降至18.6%。應力變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 集中煤柱附加應力在底板的分布與衰減關(guān)系

石圪臺煤礦31305回風順槽與上覆集中煤柱走向呈0.4°夾角布置，在工作面的推進方向上，31305回風順槽由集中煤柱的正下方逐漸偏移至集中煤柱邊界外12 m位置，其煤層平均間距32 m，如圖6所示。通過對31305回風順槽在工作面回采期間超前壓力與圍巖變形的觀測分析發(fā)現(xiàn)，巷道受二次采動影響的超前壓力與兩幫的鼓幫量逐漸減小，為此礦井逐漸取消了巷道幫錨索與頂板的縱向錨索支護。

圖6 31304回風順槽與上覆集中煤柱位置關(guān)系

合理選擇工作面寬度：考慮工作面設備及礦山壓力顯現(xiàn)因素，用可靠性理論研究結(jié)果，當?shù)刭|(zhì)條件好時，工作面寬度比計算結(jié)果減少8%～14%，當?shù)刭|(zhì)條件較差時減少45%～52%[2]。

為有效避免31202綜采面工作面過上覆集中煤柱發(fā)生動載礦壓，造成工作面壓架事故，石圪臺煤礦結(jié)合31201工作面回采經(jīng)驗，將31202工作面分為31202-1和31202-2工作面，工作面寬度分別為180.2 m、162.2 m，較正常工作面寬度320 m減少49%和44%。在31202-1和31202-2工作面回采期間，雖發(fā)生了3次動載礦壓事件，且工作面液壓支架活柱最大下沉量達800 mm，但未發(fā)生一次壓架事故，分面效果作用明顯。在綜采工作面過上覆集中煤柱前，如果對上覆集中煤柱采取地面深孔預裂爆破或井下深孔定向水力預裂措施，工作面寬度可以不用減少。例如為提高礦井資源回收率，石圪臺煤礦對31203～31205工作面上覆集中煤柱采取了地面深孔預裂爆破，在工作面過上覆集中煤柱期間，雖然周期來壓比較強烈，但從未發(fā)生壓架事故。

2.2 工作面過地表溝谷

石圪臺煤礦3-1煤二盤區(qū)地表柳根溝貫穿于31201、202-1、202-2工作面，柳根溝下坡段寬度33.3～81.2 m，溝底寬度77.6～131.1 m，上坡段寬度58.7～98.0 m，下坡段傾角20°～42°，上坡段傾角17°～27°。

工作面礦壓顯現(xiàn)強度與溝谷深度呈正相關(guān)，特別在溝谷上坡段易產(chǎn)生動載礦壓。在回采工作面溝谷上坡段，坡角小于20°時，隨著上坡角度的增加，地表臺階下沉量隨之增加，當坡度大于20°時，增加幅度明顯加大。在溝谷深度一定且主關(guān)鍵層被侵蝕的條件下，主關(guān)鍵層所處的層位越低，則工作面發(fā)生動載礦壓的危險性也越高[9-10]。礦壓統(tǒng)計見表4。

表4 31201～202綜采工作面過柳根溝礦壓統(tǒng)計

在工作面布置設計時，要結(jié)合地表溝谷分布情況，合理選擇工作面寬度和推進方向，避免工作面推進方向與溝谷上坡段走向投影線平行。

2.3 工作面過空巷布置

在綜采工作面過本層空巷過程中，由于超前支承壓力與空巷圍巖應力疊加作用，空巷圍巖變形量大，在工作面與空巷貫通期間，易發(fā)生冒頂、切頂、甚至壓架事故。為此在工作面設計時，首先應盡可能將空巷與工作面推進方向垂直或斜交布置，以減小工作面揭露空巷的面積；其次要合理選擇工作面的空巷布置位置，將其布置在上覆基巖厚度變化小、地表地勢起伏不大的位置，如圖7、8所示。

圖7 石圪臺煤礦22306工作面與22上301回風下山布置關(guān)系

在綜采工作面過下層空巷過程中，受采動支承壓力作用，對下層空巷頂板產(chǎn)生一定程度的破壞，導致頂板巖層裂隙發(fā)育，若下層煤支護方式選擇不當，支護強度偏低，極易發(fā)生冒頂事故。為此，需要結(jié)合工作面與下層空巷的距離，合理選擇空巷補強支護方式與支護參數(shù)，以確?？障镏ёo安全。參考石門保護煤柱的留設要求計算下層空巷的保護煤柱垂高，對傾角小于或等于35°的煤層，穿煤點上方的石門保護煤柱的垂高可按下式計算[11]

h=30-25×α/ρ

(2)

式中，α為煤層傾角，取3°；ρ為常數(shù)，為57.3°。

經(jīng)計算，保護煤柱的垂高為28.7 m。石圪臺煤礦12401綜采工作面下覆22402工作面巷道，煤層間距22.2～26.6 m，空巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，支護強度0.1 MPa；通過對22402工作面巷道在回采前后頂板離層和圍巖沉降的對比觀測發(fā)現(xiàn)，12401工作面回采對下層空巷影響甚小。

圖8 22306綜采工作面過空巷期間礦壓曲面圖

3 結(jié)語

(1)要結(jié)合開采煤層賦存條件、采掘布局、采區(qū)規(guī)劃及設備配套情況等，合理確定工作面寬度，以降低工作面來壓強度。

(2)合理選擇工作面布置方式，減小工作面空巷、地表溝谷、上覆集中煤柱等特殊地質(zhì)條件的開采影響，確保有效降低工作面發(fā)生動載礦壓風險。