吳生富，馬尚權(quán)，趙 星

(1.同煤集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300；2.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

大采高工作面壓架事故分析與對(duì)策
——以晉華宮煤礦為例

吳生富1，馬尚權(quán)2，趙 星2

(1.同煤集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300；2.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

為了提高大采高工作面支架的有效性和安全性，根據(jù)晉華宮煤礦8218工作面的地質(zhì)條件、生產(chǎn)工藝以及設(shè)備選型情況，介紹了8218工作面的壓架事故發(fā)生過程及產(chǎn)生影響，并從工作面的地質(zhì)條件、設(shè)備因素、生產(chǎn)技術(shù)角度分析了事故發(fā)生的原因，提出了大采高工作面預(yù)防壓架事故的技術(shù)措施，為全面改善礦井生產(chǎn)環(huán)境、提高煤礦安全高效生產(chǎn)能力提供了技術(shù)保障。

大采高；頂板來(lái)壓；液壓支架；治理措施

Abstract: For improving effectiveness and security of hydraulic support in large mining height working face, according to the geological conditions, production process and equipment type selection of 8218 working face in Jinhuagong Coal Mine, the occurrence and influence of support crushing accidents in 8218 working face is introduced, the cause of the accident is analyzed from 3 views of geological conditions, equipment factor and production technology. Technical measures are put forward to prevent support crushing accidents in large mining height working face, these measures may provide technical guarantee for improving the mine production environment and coal mine safety and efficient production capacity.

Keywords:large mining height; roof weighting; hydraulic support; control measures

0 引言

綜采工作面主要綜采設(shè)備由液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)組成，液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤工作面的關(guān)鍵設(shè)備，一次性投資占綜采設(shè)備總投資的70%以上[1]。液壓支架必須適應(yīng)開采煤層的地質(zhì)條件，與工作面圍巖形成良好的支架—圍巖關(guān)系，為工人提供安全的作業(yè)空間[2-3]，所以液壓支架是綜采工作面能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵設(shè)備，而架型的合理選擇則是綜采工作面安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)問題[4-5]。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)有30%的煤礦為堅(jiān)硬頂板煤層，并且分布在50%以上的礦區(qū)，而大同礦區(qū)則是我國(guó)典型的堅(jiān)硬頂板礦區(qū)[5-6]。隨著綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的發(fā)展，大約有40%的綜采工作面屬于來(lái)壓強(qiáng)烈的堅(jiān)硬頂板條件[7-8]。在堅(jiān)硬頂板條件下，礦壓顯現(xiàn)比普通工作面更為劇烈。堅(jiān)硬頂板在煤層回采后形成大面積頂板懸露而不垮落，其初次垮落步距一般大于40 m，因而對(duì)工作面的回采形成極大的威脅[9-10]。頂板的大面積垮落，甚至發(fā)生礦震。

大同礦區(qū)晉華宮煤礦8218工作面位于402盤區(qū)，工作面開采12#煤層，煤層平均厚度為5.0 m，工作面直接頂為粉細(xì)砂巖，厚度1.7 m；老頂為粉細(xì)砂巖，厚度為17.45 m；老底為中粗砂巖，厚度為2.8 m，屬于典型的堅(jiān)硬頂板大采高綜采工作面。該工作面由于支架選型的不合理，在8218工作面回采過程中，發(fā)生了3次壓架事故，共計(jì)影響生產(chǎn)21天，嚴(yán)重影響了工作面的安全生產(chǎn)。

開展堅(jiān)硬頂板條件下大采高工作面支架的合理選型及堅(jiān)硬頂板的控制技術(shù)研究，分析堅(jiān)硬頂板條件下壓架事故的原因[11-12]，掌握類似煤層賦存條件下的支架合理選型的方法，提出堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，對(duì)于大采高綜采工作面的安全高效生產(chǎn)具有較高的理論意義和實(shí)踐價(jià)值[13]。

1 礦井基本情況

1.1 8218工作面簡(jiǎn)介

8218大采高綜采工作面位于晉華宮煤礦南山井870水平，12#煤層402盤區(qū)的南部。工作面標(biāo)高為：892～912 m，地面標(biāo)高為1193.2～1242.1 m。工作面東部及南部為老窯區(qū)，西部為盤區(qū)回風(fēng)巷，北部與402盤區(qū)集中皮帶巷相隔，上部為7#、9#煤層采空區(qū)。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1200 m，工作面長(zhǎng)度為200 m，平均采高為4.5 m，可采儲(chǔ)量1.2 Mt。工作面回采歷時(shí)13個(gè)月，采出煤量1.2 Mt，最高月產(chǎn)0.14 Mt，平均9.2萬(wàn)t。工作面巷道布置圖如圖1所示。

圖1 8218工作面巷道布置圖

1.2 工作面地質(zhì)條件

8218工作面煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度2.1～7.9 m，平均5.0 m；但煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，8218工作面存在1層夾石，夾石厚度為0.5 m。煤層傾角為2°～10°，平均8°。根據(jù)巷道掘進(jìn)情況，煤層因受基底沉積不平和褶曲的影響，煤層局部變薄，工作面中東部煤層較厚，西部較薄。8218工作面局部存在0.5m厚的粉細(xì)砂巖偽頂，直接頂為粉細(xì)砂巖，厚度為1.7 m，老頂為17.45 m的粉砂巖。工作面直接底為中粗砂巖，厚度為2.8 m。

1.3 工作面生產(chǎn)技術(shù)條件

8218采用大采高綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁采煤方法，采高3.6～4.8 m，采煤機(jī)落煤裝煤，液壓支架支護(hù)頂板?；夭上锏佬螤顬榫匦?，工作面回采巷道采用樹脂錨桿、錨索支護(hù)頂板，錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)1700 mm，錨桿間距900 mm，排距1000 mm，錨索長(zhǎng)5000 mm，間距4000 mm，呈三花布置；護(hù)幫錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)1700 mm，間距1500 mm，呈三花布置。其中進(jìn)風(fēng)巷采用5排錨桿，2排錨索；回風(fēng)巷采用4排錨桿，2排錨索。工作面主要設(shè)備見表1。

表 1 8218工作面主要設(shè)備表

2 大采高工作面壓架事故

2.1 壓架事故經(jīng)過

晉華宮8218大采高綜采工作面在回采過程中，發(fā)生了數(shù)次工作壓架事故，嚴(yán)重影響了工作面的安全高效開采。

(1) 第一次嚴(yán)重的壓架事故

當(dāng)8218工作面推進(jìn)到63 m處，工作面發(fā)生周期來(lái)壓。工作面20#～50#支架處頂板壓力迅速增大，頂板急劇下沉，煤壁片幫最大深度達(dá)300 mm。大部分支架的安全閥開啟，個(gè)別支架“低頭”現(xiàn)象嚴(yán)重，其中工作面中部29#～41#、61#和62#及工作面尾部95#～102#支架前柱被壓死。在隨后的生產(chǎn)過程中，控頂區(qū)的工作面老頂沿煤壁斷裂，導(dǎo)致了8218工作面的第一次壓架事故。此次壓架事故影響工作面生產(chǎn)共計(jì)4天。

(2) 第二次嚴(yán)重的壓架事故

當(dāng)8218工作面推進(jìn)到93m處，工作面發(fā)生周期來(lái)壓。20#～103#支架處的頂板壓力較大，工作面頂板發(fā)生劇烈的響動(dòng)和悶雷聲，頂板下沉量也急劇增大，57#～64#支架處煤壁片幫約為2300 mm～3200 mm；在60#～64#支架處，工作面也發(fā)生了漏矸現(xiàn)象。大部分支架的安全閥開啟，工作面中部45#～50#支架及尾部90#～102#支架被壓死，80#～90#支架前后立柱的行程也只有400 mm～500 mm；支架立柱無(wú)法升降，導(dǎo)致支架行走困難?？仨攨^(qū)的工作面老頂沿煤壁斷裂，導(dǎo)致了8218工作面的第二次壓架事故。此次壓架事故影響工作面生產(chǎn)共計(jì)5天。

(3) 第三次嚴(yán)重的壓架事故

當(dāng)8218工作面推進(jìn)到135 m處，工作面發(fā)生周期來(lái)壓。工作面煤壁發(fā)生片幫現(xiàn)象，35#～92#支架處工作面片幫深度為400 mm～2500 mm。在42#～50#支架處，工作面頂板冒落高度為1500 mm～2000 mm；在64#～74#支架處，工作面頂板冒落高度為1000 mm～1500 mm。大部分支架立柱行程較小或被壓死，嚴(yán)重地段工作面機(jī)組都無(wú)法通過。支架“低頭”現(xiàn)象嚴(yán)重。此次壓架事故影響工作面生產(chǎn)共計(jì)12天。

2.2 壓架事故原因分析

工作面液壓支架的選取應(yīng)遵循以下原則:

1) 功根據(jù)頂板巖性進(jìn)行壓力估算,確定支架的工作阻力；

2) 根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性和支架工作阻力確定支架底板比壓；

3) 根據(jù)煤層傾角選擇支架的防倒防滑性能；

4) 根據(jù)煤層的起伏狀況選擇支架的抗水平性能。

大采高工作壓架事故嚴(yán)重影響了晉華宮煤礦的安全高效生產(chǎn)，為了從根本上解決工作面的壓架事故，針對(duì)8218工作面的壓架事故，分析導(dǎo)致大采高工作面壓架事故的原因如下：

(1) 地質(zhì)條件

晉華宮12#煤層402盤區(qū)的部分區(qū)域因受基底沉積不平和褶曲的影響，導(dǎo)致工作面煤層變薄。液壓支架的最大最小支撐高度不適應(yīng)實(shí)際的地質(zhì)條件，在一定程度上誘發(fā)了工作面壓架事故的發(fā)生。在8218工作面生產(chǎn)過程中，煤層厚度變薄區(qū)域的老頂巖性發(fā)生變化，由原來(lái)的粗砂巖變?yōu)榇至Ｉ皫r。當(dāng)工作面老頂周期來(lái)壓時(shí)，老頂突然斷裂，必然會(huì)對(duì)工作面形成較大的沖擊。工作面頂板壓力較大時(shí)，工作面支架安全閥開啟，甚至壓死支架，從而導(dǎo)致壓架事故的發(fā)生。

(2) 設(shè)備因素

工作面采高為5 m，γ按27 kN/m3計(jì)，則支護(hù)強(qiáng)度為：

q=(4-8)γh

由于頂板較堅(jiān)硬，取大值，帶入數(shù)據(jù)得q=1.08 MPa，在8218工作面使用的ZZ9900型液壓支架屬于陳舊設(shè)備，其支護(hù)強(qiáng)度為0.85～0.94 MPa，并不能滿足工作面安全高效生產(chǎn)的需要，工作面支架選型不合理。ZZ9900型支架對(duì)于晉華宮煤礦12#煤層402盤區(qū)的地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。另外，ZZ9900型液壓支架為四柱單伸縮支架，支架可縮量較小，抗沖擊能力較小，增加了工作面發(fā)生壓架事故的可能性。

(3) 生產(chǎn)技術(shù)

8218工作面的日常機(jī)電檢修管理工作沒有根據(jù)工作面的具體情況進(jìn)行，仍然按照全新設(shè)備的檢修管理工作進(jìn)行，導(dǎo)致工作面設(shè)備存在生產(chǎn)隱患，工作性能下降。在8218工作面和8212工作面上方，距離工作面30 m處的11#煤層工作面布置了一條瓦斯高抽巷。由于高抽巷的掘進(jìn)破壞了上覆巖層的完整性，造成工作面頂板垮落厚度增加，工作面支架壓力增大。當(dāng)工作面發(fā)生周期來(lái)壓時(shí)，上覆巖層對(duì)支架有較大的沖擊，增加了工作面發(fā)生壓架事故的可能性。

3 大采高工作面預(yù)防壓架事故的措施

晉華宮煤礦12#煤層402盤區(qū)的直接頂為粉細(xì)砂巖，老頂為粉砂巖，普氏硬度系數(shù)f=4，工作面頂板屬于堅(jiān)硬頂板。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)頂板的控制，防止工作面頂板形成大面積的懸頂，減小工作面頂板來(lái)壓強(qiáng)度，弱化工作面頂板來(lái)壓對(duì)支架的沖擊。

3.1 工程技術(shù)層面

(1) 避免形成大面積懸頂，控制工作面頂板周期來(lái)壓步距。采取工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷超前預(yù)爆破，結(jié)合工作面的淺空爆破的技術(shù)措施，人為控制工作面老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距。工作面生產(chǎn)過程中，確保工作面的均衡生產(chǎn)。對(duì)于工作面的調(diào)斜開采，上端頭合理的超前距離為15 m。

(2) 減弱工作面頂板來(lái)壓強(qiáng)度。對(duì)于大采高綜采工作面，要嚴(yán)格控制采高。在保證工作面煤炭資源回收率的前提條件下，通過控制工作面采高的措施，減弱大采高綜采工作面頂板來(lái)壓強(qiáng)度。

(3) 確保工作面圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于工作面存在偽頂區(qū)域和發(fā)生片幫現(xiàn)象的局部區(qū)域，采取超前打孔注粘結(jié)劑并配合補(bǔ)打錨索的技術(shù)措施。

3.2 支架管理層面

支架的支護(hù)效果是發(fā)生工作面壓架事故的主要原因，應(yīng)嚴(yán)格確保支架的支護(hù)效果。

(1) 在生產(chǎn)過程中，采用從下端頭向上端頭單向割煤的開采順序，及時(shí)移架和帶壓移架等技術(shù)措施，保證工作面支架支架的支護(hù)效果。

(2) 為了保證工作面支架接頂效果良好，在工作面回采過程中，當(dāng)煤層厚度增大時(shí)，嚴(yán)格按照留底煤、沿頂板推進(jìn)的生產(chǎn)措施，及時(shí)清理工作面支架頂梁上的浮煤及浮矸，確保支架嚴(yán)格支撐頂板。

(3) 移架過程中應(yīng)保證工作面支架的移架速度和移架質(zhì)量。確保支架能夠及時(shí)有效的支護(hù)頂板，減小對(duì)支架推移千斤頂和推移板的損壞。應(yīng)確保支架之間不咬架、不擠架；當(dāng)工作面傾角發(fā)生變化時(shí)，支架之間應(yīng)平緩過度，不出現(xiàn)上下臺(tái)階。

3.3 生產(chǎn)管理層面

(1) 根據(jù)生產(chǎn)工作面液壓支架的運(yùn)行狀況，采取工作面停產(chǎn)檢修的措施。更換工作性能較差的液壓支架立柱，改善工作面支架的受損情況，完善工作面液壓系統(tǒng)，保證工作面液壓支架的初撐力及工作阻力。

(2) 工作面生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)工作面機(jī)電設(shè)備的日常檢修工作，保證工作面液壓支架的檢修工作。對(duì)于初撐力不足的支架、四柱工作阻力不均衡的支架以及其他部件受損的支架，應(yīng)找出原因并及時(shí)修復(fù)，保證工作面支架處于良好的工作狀態(tài)。

(3) 在402盤區(qū)其他工作面的準(zhǔn)備過程中，應(yīng)選擇合理工作面支架型號(hào)。提高工作面支架的初撐力，增加工作面支架的可縮量。

4 結(jié)論

分析了晉華宮煤礦8218大采高綜采工作面壓架事故原因，并有針對(duì)性的從三個(gè)層面提出了預(yù)防大采高綜采工作面壓架事故的技術(shù)措施。

8218工作面壓架事故主要原因存在兩點(diǎn)：1)12#煤層402盤區(qū)的老頂屬于堅(jiān)硬頂板，而且在工作面部分區(qū)域煤層厚度發(fā)生變化以及工作面支架選型不合理，是發(fā)生工作面壓架事故的直接原因；2)工作面生產(chǎn)管理和日常設(shè)備檢修不到位，不能保證工作面的開機(jī)率，是發(fā)生工作面壓架事故的間接原因。

本文從工程技術(shù)層面、支架管理層面以及生產(chǎn)管理層面等三個(gè)方面，提出相應(yīng)的技術(shù)措施。通過采用淺空爆破的技術(shù)措施，縮短來(lái)壓周期和步距，減輕了來(lái)壓強(qiáng)度；通過適當(dāng)降低采高，減小了工作面液壓支架工作阻力；通過采取超前打孔注粘結(jié)劑并配合補(bǔ)打錨索的技術(shù)措施，提高了采場(chǎng)圍巖強(qiáng)度，改善了采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性。通過支架管理和生產(chǎn)管理，確保液壓支架的生產(chǎn)系統(tǒng)正常，確保工作阻力達(dá)到支護(hù)要求。通過這些措施，有效預(yù)防了大采高綜采工作面壓架事故的再次發(fā)生。

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AnalysisandCountermeasuresofCrushingAccidentsinLargeMiningHeightWorkingFace——aCaseStudyofJinhuagongCoalMine

WU Sheng-fu1, MA Shang-quan2, ZHAO Xing2

(1.ShuozhouCoalPowerCo.Ltd.,Shuozhou, 038300,China;2.North.ChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing, 065201,China)

TD323

A

1672-7169(2017)03-0049-05

2017-05-13

吳生富(1966-)，男，山西大同人，碩士，同煤集團(tuán)朔州煤電公司生產(chǎn)副總經(jīng)理，研究方向：煤礦安全生產(chǎn)。E-mail:wsfgzyx@163.com