基于实测数据的非坚硬顶板综采工作面大面积来压原因分析

2014-04-18徐刚

采矿与岩层控制工程学报 2014年2期

徐刚

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

顶板事故一直是威胁煤矿安全生产的主要事故，根据国家煤矿安全监察局出版的《“十一五”期间全国煤矿事故分析报告》统计，在“十一五”期间，顶板事故起数和死亡人数分别占所有事故起数和死亡人数的52.9%和38.1%，位列第一。对于综采工作面，顶板事故主要是大面积顶板垮落和来压。针对坚硬顶板的综采工作面会发生大面积垮落，影响工作面的安全生产;非坚硬顶板有时会发生大面积来压现象，再提高支架工作阻力也不能完全避免，如鄂尔多斯地区的酸刺沟煤矿，综放工作面支架工作阻力为15000kN;扎赉诺尔地区的铁北、灵泉煤矿，支架工作阻力达到了8000kN;龙固煤矿1301综放工作面支架工作阻力为11000kN;同煤塔山矿支架工作阻力达12000kN;天地精煤矿工作面支架工作阻力8800kN，均发生了多次大面积来压。

为此，研究综采工作面发生大面积来压的原因非常重要，本文以支架工作阻力的实测数据分析顶板大面积来压的原因和征兆。

1 大面积来压的形式

大面积顶板来压主要有2种。

第1种为坚硬顶板 (基本顶硬度系数f一般大于6，且整体性好)的大面积突然来压或垮落，主要特征是来压瞬间发生，顶板一次垮落面积较大，形成暴风。坚硬顶板大面积来压时，一次冒落的面积少则几千平方米，多则几万甚至几十万平方米，这样大面积的顶板岩层冒落，时间极短，形成了强大的冲击力，更为严重的情况是冒落顶板将采空区的空气瞬间压出，形成巨大的暴风，顶板冒落的冲击力大部分作用在采空区，一部分作用在控顶区内的支架上，其破坏力是相当大的;而暴风以极大的速度摧倒各种设施和人员，造成人员和财产的损失［1］。针对坚硬顶板大面积来压发生的原因和机理已进行了大量的研究，现场技术人员对此十分重视，其防治措施主要是采用切眼和两巷深孔爆破，应用效果较好［2］。

第2种为非坚硬顶板的大面积来压，主要表现形式是工作面切顶和压架，发生时间相对较长，如图1所示。此种形式大面积来压常容易被忽视，认为工作面顶板为非坚硬顶板，采用强度较高支架可以避免发生大面积来压现象，实际上导致非坚硬顶板大面积来压原因是多方面的，如埋深较浅、支架工作阻力较小、初撑力较低、工作面推进速度慢、顶板富含水等。

图1 非坚硬顶板工作面大面积来压示意

2 非坚硬顶板大面积来压原因分析

工作面支护强度较低，无法满足工作面支护要求，当来压时工作面易发生压架或大面积切顶。有的工作面支护强度较高但常发生压架事故，因此需要研究该类工作面大面积来压的原因。

2.1 初撑力较低

铁北矿右三片工作面和右四片工作面都开采Ⅱ2a煤层，采用ZF8000/18/35型放顶煤支架。右三片工作面发生多次大面积来压，在7月15日近工作面全长的1/3支架被压死;右四片工作面没有发生过大面积来压，工作面开采顺利。通过对铁北矿右三片和右四片工作面矿压观测数据进行分析，右三片发生大面积来压，右四片没有发生大面积来压，其原因是多方面的，重要原因之一是右四片支架初撑力高于右三片工作面，2个工作面初撑力对比如图2所示。

图2 右三片和右四片工作面初撑力对比

支架初撑力的主要作用是主动支护工作面顶板，防止因顶板早期离层和下沉导致顶板整体性和稳定性下降。初撑力越低，工作面顶板在控顶区内下沉量越大，越容易在煤壁处发生切顶或大面积来压现象，工作面控顶区顶板下沉量用下式计算［3］:

式中，SD为顶板相对下沉量，mm;Fm为末阻力，kN;F0为初撑力，kN;Fm－F0为增阻量，kN;Ld为顶梁长度，m;l为循环进尺，m;K为底板－支架－顶板串联抗压缩刚度，kN/mm。

从上式可知，顶板下沉与增阻量和底板－支架－顶板串联抗压缩刚度有关。初撑力增大，压缩了底板浮煤和顶板破碎层，串联刚度提高，减小了每个循环顶板下沉量。

另外，从式 (1)可知，下沉量与增阻量成正比，增阻量越大，顶板下沉量越大。通过研究多个工作面矿压数据发现，初撑力越大，高增阻量分布在低的区间的可能性越小;初撑力越小，高增阻量分布在低的区间可能性就越大，如图3所示。

图3 工作面初撑力对增阻率的影响关系

2.2 支架支撑效率较低

对于支撑掩护式支架，前后柱受力不均衡，影响支架的支撑效率，表1和表2为铁北矿右三片和右四片工作面前后柱对比表。

从表1，表2可知，右三片工作面前后柱压力差abs(P前－P后)平均为729kN，占到立柱额定值PH=(2000kN)的36%;右四片工作面前后柱压力差平均为551kN，占到立柱额定值的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。根据Ⅱ2a煤层地质条件，工作面支护强度需为1.0MPa，而ZF8000/18/ 35支架支护强度为1.1MPa，说明支架可以满足支护要求，而由于支架前后柱受力不均衡使支架支撑效率较低，实际没有达到额定的支护强度，导致工作面发生压架。

表1 右三片工作面前后柱受力对比

表2 右四片工作面前后柱受力对比

2.3 工作面推进速度较慢

工作面推进速度影响工作面覆岩应力降低区和周围煤岩体破坏区的范围的大小，工作面快速推进时不能使采场围岩充分卸压，围岩受破坏程度较小，具有较好的完整性，若将岩体视为黏弹性体，推进速度越快，岩体的黏性变形时间就越短，岩体的黏性变形不易得到充分发展，总的变形量也就越小，基本顶受采动破坏的程度相对较小，而当工作面推进较慢时，基本顶受到采动破坏的程度相对较大［4］。

通过实测数据分析发现，发生大面积来压的工作面都存在推进速度较慢，或是在压架前工作面停产的现象。如酸刺沟煤矿6上105－2工作面在4月22日压架前2d(4月19日和20日)工作面停产，如图4所示。

同时，对大地精煤矿工作面推进速度和支架工作阻力关系进行统计后发现，工作面推进速度越快，工作面支架工作阻力越小，反之，支架工作阻力越大。图5为大地精煤矿3301工作面推进速度与支架受力关系，从图中可知，当工作面日推进速度为1m左右时，支架工作阻力为8200kN，则当工作面日推进速度 13m时，支架工作阻力只有6000kN。