呂 波

(華能集團(tuán)內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責(zé)任公司高頭窯煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

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高頭窯煤礦G3-1102工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及壓架原因分析

呂 波

(華能集團(tuán)內(nèi)蒙古北聯(lián)電能源開發(fā)有限責(zé)任公司高頭窯煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

結(jié)合高頭窯煤礦G3-1102工作面壓架情況，分析了礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和壓架原因，結(jié)果表明，由于工作面開采時(shí)引起上覆煤柱應(yīng)力集中并傳力于煤柱下兩側(cè)區(qū)域，從而導(dǎo)致上覆保護(hù)煤柱下兩側(cè)的區(qū)域支架壓死。

煤礦，回采工作面，礦壓，壓架原因

0 引言

回采工作面支架阻力以及回撤巷道的合理支護(hù)是保證工作面安全高效開采的重要因素。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，回采工作面支架阻力逐漸增加，已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。然而，先進(jìn)的配套設(shè)施以及較高的支架阻力仍無法滿足煤礦開采的需要，即使在簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件下仍發(fā)生了多起支架壓死事故，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅著工人的人身安全。作為我國(guó)重要新型煤炭基地的神東礦區(qū)，自2007年以來，發(fā)生嚴(yán)重壓架事故約12起，造成近3億元的巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響著神東礦區(qū)安全生產(chǎn)。為此，針對(duì)神東礦區(qū)壓架機(jī)理及防護(hù)，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。鞠金峰等[1,2]基于神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦壓架事故，通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及模擬試驗(yàn)進(jìn)行了研究，認(rèn)為出兩側(cè)采空煤柱階段煤柱邊界上方兩關(guān)鍵塊體形成的不穩(wěn)定三鉸式結(jié)構(gòu)和出一側(cè)采空煤柱關(guān)鍵層懸臂式破斷是壓架發(fā)生的主要原因，并認(rèn)為縮小下煤層切眼距煤柱邊界的距離能夠有效避免煤柱上方關(guān)鍵層破斷，防止壓架。周海豐[3]針對(duì)該事故，認(rèn)為合理優(yōu)化工作面開采設(shè)計(jì)、對(duì)上覆集中煤柱實(shí)施預(yù)裂爆破、工作面調(diào)斜、礦壓觀測(cè)等措施，可有效避開綜采工作面應(yīng)力集中，從而使周期來壓強(qiáng)度和動(dòng)載礦壓降低，達(dá)到避免發(fā)生壓架事故的目的。

另外，其他礦區(qū)也有類似現(xiàn)象存在，如陜西崔木煤礦，發(fā)生壓架事故7起。同煤集團(tuán)塔山煤礦和酸刺溝煤礦工作面支架工作阻力雖已高達(dá)15 000 kN，但由于切頂?shù)仍蛟斐啥嗖恐Ъ軗p壞。為了防止壓架事故的發(fā)生，張亮提出了優(yōu)化可控因素、弱化不可控因素的防治原則[4]。許家林[5]認(rèn)為合理設(shè)計(jì)支架工作阻力是防治壓架冒頂?shù)挠行Ъ夹g(shù)措施。高小金[6]認(rèn)為實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和盯防以及及時(shí)的加強(qiáng)支護(hù)可以有效避免壓架事故。

本文基于高頭窯煤礦壓架事故，分析了礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和壓架原因。

1 工程背景

高頭窯煤礦位于鄂爾多斯盆地東勝煤田，侏羅系中下統(tǒng)延安組為本區(qū)的主要含煤地層。井田內(nèi)可采煤層12層，其中大部分可采煤層5層，即2-3,3-1,4-1,4-2,5-1煤層。2-3煤為高頭窯煤礦首采煤層，G2-301工作面為2-3煤首采工作面，3-1煤為二層煤，G3-1102工作面、G3-1104工作面均位于該煤層，屬于采空區(qū)及煤柱下采煤，地質(zhì)條件及礦山壓力情況復(fù)雜。G3-1102工作面末采期間，多處液壓支架壓死，主回撤通道巷道變形量較大，工人人身安全受到嚴(yán)重威脅，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，生產(chǎn)效率受到了較大影響，不符合現(xiàn)代化礦井安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的要求，針對(duì)高頭窯煤礦壓架災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理，提出合理的防治對(duì)策十分必要。

2 高頭窯煤礦G3-1102回撤通道及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及壓架原因分析

2.1 G3-1102主回撤通道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

由于距離停采線15 m之前，副幫壓力保持穩(wěn)定，故只分析距停采線15 m內(nèi)幫部壓力變化情況。從圖1中可看出，當(dāng)距離停采線11 m時(shí)，幫部壓力出現(xiàn)迅速增加，且13日下午工作面出現(xiàn)首次礦壓顯現(xiàn)，之后幫部壓力略微減小后繼續(xù)快速增加，此時(shí)明顯看到主回撤通道內(nèi)第一聯(lián)巷與第三聯(lián)巷間的嚴(yán)重幫鼓，且部分錨桿托盤脫落失效。14日20時(shí)左右，出現(xiàn)第二次礦壓顯現(xiàn)，幫部壓力因釋放還有所降低，之后繼續(xù)增加，當(dāng)距停采線4.8 m左右，幫部壓力達(dá)到第一峰值，隨后壓力逐漸較小，說明該段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第三次礦壓顯現(xiàn)。隨后雖然幫部壓力繼續(xù)增加，但第二峰值壓力與第一峰值壓力相差不多，維持一段時(shí)間后開始減小。

通過上述分析可知，回撤巷道礦壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在距停采線11 m內(nèi)，且每次礦壓顯現(xiàn)總會(huì)伴隨著壓力的降低；最大礦壓顯現(xiàn)發(fā)生在距停采線4.8 m以內(nèi)，且貫通后發(fā)現(xiàn)副幫已發(fā)生較嚴(yán)重破壞，尤其以拱肩破壞最為嚴(yán)重，第一聯(lián)巷與第二聯(lián)巷間垂直回撤巷道軸線方向靠近工作面部分出現(xiàn)剪斷下沉；第二峰值與第一峰值相差不大，說明貫通前已經(jīng)發(fā)生最大礦壓顯現(xiàn)，如果能更快的貫通巷道，即在第一峰值出現(xiàn)前貫通，可能能夠避免最大礦壓顯現(xiàn)的出現(xiàn)。

2.2 工作面末采期間及貫通后礦壓顯現(xiàn)

當(dāng)工作面推進(jìn)到距主回撤通道4.8 m時(shí)，工作面大面積異常來壓，造成工作面內(nèi)43號(hào)、44號(hào)液壓支架壓死，40號(hào)～65號(hào)支架處出現(xiàn)底鼓，主回撤通道內(nèi)頂板上覆煤柱下出現(xiàn)切頂，頂板整體下沉，達(dá)0.70 m，幫鼓約0.75 m。當(dāng)推進(jìn)到距主回撤通道4.2 m時(shí)，工作面內(nèi)39號(hào)～45號(hào)、63號(hào)～70號(hào)液壓支架壓死，105號(hào)～110號(hào)液壓支架行程200 mm，主回撤通道內(nèi)頂板最大下沉量達(dá)0.87 m，兩幫最大鼓出量1.03 m,截止2月2日主回撤通道內(nèi)頂板最大下沉量達(dá)1.55 m，兩幫最大鼓出量1.04 m。

當(dāng)回采工作面距離主回撤通道4.8 m時(shí)，從工作面頂?shù)装迩衅芍?，頂板切邊受?-3煤工作回采影響較為明顯，應(yīng)力集中區(qū)偏向G2-1101工作面?zhèn)?，但是靠近回采工作面煤壁?yīng)力集中情況兩側(cè)相似。從煤層頂部切片可知，應(yīng)力最大應(yīng)力集中點(diǎn)位于G2-1103工作面?zhèn)让褐?，?yīng)力極值為13.2 MPa，而且上層順槽煤柱兩側(cè)的回采工作面前方煤柱應(yīng)力集中情況較為突出，均達(dá)到10 MPa以上，由于回采工作面距離主回撤通道不足5 m，區(qū)間煤柱容易變形片幫，導(dǎo)致G3-1102工作面頂板下沉，出現(xiàn)部分區(qū)域壓架顯現(xiàn)。

2.3 壓架原因分析

G3-1102工作面末采階段礦壓顯現(xiàn)劇烈，造成多架液壓支架壓死，主回撤通道頂板累計(jì)臺(tái)階下沉達(dá)1.59 m，兩幫累計(jì)鼓出1.04 m，造成工作面設(shè)備回撤十分困難。其原因主要有：

1)停采線內(nèi)錯(cuò)距離偏小。G3-1102工作面與G2-3101工作面停采線間距6.4 m偏小。通過數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，G2-3101與G2-3103工作面間的保護(hù)煤柱與實(shí)體煤交叉處的應(yīng)力集中明顯，引起G3-1102工作面主回撤通道及停采線位置局部載荷劇增，剪切效應(yīng)顯著，極易造成主回撤通道及工作面冒頂壓架。

2)多關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)。G3-1102工作面頂板巖性不穩(wěn)定，由砂質(zhì)泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖構(gòu)成了多個(gè)關(guān)鍵層，在大采高條件下，形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)較困難，更易形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。末采期間動(dòng)載較大，且作用時(shí)間較長(zhǎng)，使得懸臂梁結(jié)構(gòu)的大面積破斷冒落，導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)劇烈。

3)2-3煤采空區(qū)冒落不充分。巖移觀測(cè)表明，2-3煤工作面地表移動(dòng)持續(xù)總時(shí)間約304 d。在上覆工作面回采穩(wěn)定時(shí)間較短的情況下，G3-1102工作面回采時(shí)，受停采線附近應(yīng)力集中作用的影響，上覆工作面頂板的動(dòng)載與G3-1102工作面頂板垮落易形成動(dòng)載疊加，形成較大的礦山壓力。

3 結(jié)論與建議

1)礦壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在末采階段，工作面表現(xiàn)為支架壓死、底鼓明顯，主回撤通道表現(xiàn)為巷道變形量大。由于工作面開采引起上覆煤柱下兩側(cè)應(yīng)力集中明顯，從而導(dǎo)致煤柱下附近支架壓死。

2)壓架現(xiàn)象與各煤層停采線內(nèi)錯(cuò)距離、多關(guān)鍵層頂板結(jié)構(gòu)和2-3煤采空區(qū)冒落不充分有關(guān)。

3)為防止后續(xù)煤層采煤出現(xiàn)類似壓架現(xiàn)象，應(yīng)加大各煤層停采線內(nèi)錯(cuò)距離，盡可能遠(yuǎn)離預(yù)留煤柱區(qū)，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)回撤通道支護(hù)強(qiáng)度。

[1] 鞠金峰,許家林,朱衛(wèi)兵.神東礦區(qū)近距離煤層出一側(cè)采空煤柱壓架機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(7):1321-1330.

[2] 鞠金峰,許家林,朱衛(wèi)兵.大柳塔煤礦22103綜采面壓架機(jī)理及防治技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(2):4-7.

[3] 周海豐.綜采工作面過上覆集中煤柱壓架機(jī)理分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(7):120-128.

[4] 張 亮, 李志剛,解興智.特厚煤層綜放工作面大面積壓架機(jī)制及防治技術(shù)研究[J].煤炭工程,2015,47(11):67-73.

[5] 許家林,朱衛(wèi)兵,鞠金峰.采場(chǎng)大面積壓架冒頂事故防治技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(6):1-8.

[6] 高小金.關(guān)于綜采三隊(duì)43310工作面68號(hào)支架壓死的追查報(bào)告[J].山東工業(yè)技術(shù),2014(8):82.

The analysis of mine pressure behave law and hydraulic support crushing about Gao Touyao Mine

Lv Bo

(HuanengGroupinInnerMongolia,NorthUmcEnergyDevelopmentCo.,Ltd,GaoTouyaoCoalMine,Erdos014316,China)

Combining with the pressing frame situation of G3-1102 working face of Gaotouyao coal mine, this paper analyzed the mine pressure behavior rules and pressing frame reason, the results showed that the overlying coal pillar stress concentration and force in both sides region of coal pillar caused by working face mining, resulting in bracket crushed of both sides of overlying protection coal pillar.

coal mine, coalface, mine pressure, pressing frame reason

1009-6825(2017)15-0241-03

2017-03-14

呂 波(1974- )，男，高級(jí)工程師

TD323

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