浅析浅埋煤层综采工作面顶板事故预防与处理

王新国

(1.神东煤炭集团榆家梁煤矿，陕西 神木 719300；2.太原理工大学，山西 太原 030024)

0 引言

神东矿区浅埋煤层开采综采工作面矿压非但没有因采深较浅而减小，反而出现异常强烈的矿压显现，地面出现台阶下沉、工作面发生压架现象时有发生[1-2]。榆家梁煤矿目前正在开采的4-2煤层、4-3煤层和5-2煤层埋深基本在250 m之内，埋深较浅，因此，浅埋煤层开采的一些研究成果可供借鉴和参考。对榆家梁煤矿已有矿压观测资料及科研项目研究成果的分析总结，为日后榆家梁煤矿及公司类似条件下综采工作面开采顶板灾害防治及液压支架选型、顶板控制提供了参考和指导作用。

综采工作面初采期间、正常开采期间、末采期间、过大断面空巷、上覆集中煤柱、沟谷富水区、沿空留巷等特殊条件下矿压显现规律及支架适应性进行系统地分析总结。结合榆家梁煤矿已采综采工作面特殊条件下开采经验，对各种条件下顶板灾害防治技术进行总结归纳。运用综采工作面初末采及过上覆集中煤柱、大断面空巷、薄基岩富水区、断层等特殊条件下的矿压显现规律，指导相邻及类似地质条件下综采工作面的安全回采，避免发生大的漏矸、冒顶及压架事故，同时也为综采工作面液压支架选型提供参考依据。

1 煤层地质条件概况

榆家梁煤矿4-2煤顶板不稳定、裂隙发育、直接顶易冒落，4-3煤局部顶板破碎、与4-2煤层间距小(21 m左右)，局部在沟谷地带，需通过薄基岩段，5-2煤顶板坚硬，不易垮落。在综采工作面初末采及过上覆集中煤柱、大断面空巷、薄基岩富水区等特殊条件下发生顶板事故的几率较大，容易发生大的漏矸、冒顶及压架事故，影响矿井安全生产工作，是顶板管理的重点。

4-2煤层顶板岩性以泥岩为主，大部分属易冒落的半坚硬岩石，风化区属易冒落的软岩石。底板岩性多为泥岩，均一致密，但属不稳定型，遇水泥化，产生底臌现象。

4-3煤层顶板岩性以粉砂岩为主，次为中、细粒砂岩，大部分属中等冒落的半坚硬至坚硬岩石。底板岩性多为粉砂岩、泥岩，致密块状，属较稳定型。

5-2煤层顶板北部岩性以中粒砂岩为主，南部岩性以粗粒砂岩为主，大部分属易冒落的半坚硬至坚硬岩石。采掘资料表明，5-2煤层顶板岩性以中、细粒砂岩为主，其次为砂质泥岩、薄层粉砂岩，煤层顶板属中等冒落。底板岩性以粉砂岩为主，仅中部东部有两小区，分别为泥岩和细粒砂岩，绝大部分应属稳定型，次为不稳定型和较稳定型。采掘资料表明5-2煤层底板岩性以粉砂岩、砂质泥岩为主。

2 顶板事故案例

2.1 初采期间顶板事故

榆家梁煤矿5-2、4-3煤层初采实践表明，综采工作面初次来压强度较大，初采期间采空区悬顶面积大，老顶大面积垮落时，可能产生工作面飓风、切顶、片帮和漏矸等。

43308工作面长度为300.6 m，推进长度为2 147.38 m。工作面煤层直接顶为粉砂岩，厚度0～1.5 m，平均厚度1.15 m；老顶为中砂岩，厚度12～12.65 m，平均12.35 m；煤层底板主要为泥岩。工作面于2012年12月7日开始安装，12月20日安装完毕，12月21日开始联合试运转，推进 6 m后于12月22日进行了初采强放，放顶效果较好。工作面安装176台平顶山煤矿机械集团有限责任公司生产的工作阻力为7 600 kN的二柱掩护式液压支架，2012年12月25日早班检修时，发现工作面90#～130#支架立柱安全阀大部分泄液(此时支架行程正常，约为800 mm)，且大部分支架PM32上显示的支架压力已达到45 MPa，个别达到50 MPa以上(安全阀开启压力为41 MPa左右)，此时工作面已累计推进33 m。工作面停止检修，继续组织生产，当煤机割煤至第3刀煤时，工作面90#～104#支架顶梁下沉严重，立柱行程明显变小，支架顶梁与电缆槽之间的距离太小导致煤机无法通过，工作面90#～104#架共计23台支架压死。

2.2 末采期间顶板事故

42213综采工作面为榆家梁煤矿4-2煤布置的最后一个综采工作面，推进长度1 289.3 m，工作面长度246 m，煤层厚度5.6～6.7 m，平均6.22 m，设计采高5.6 m，煤层倾角1°～3°。工作面采用倾斜长壁后退式大采高一次采全厚综合机械化采煤法，采用全部垮落法管理顶板。

42213综采工作面距与回撤通道14.4 m贯通时，工作面中部支架压力变化明显，预计工作面中部向前推进4 m左右来压。决定提前1.4 m即距回撤通道14.4 m开始挂网。割煤6刀，此时距回撤通道贯通剩余9.3 m，老顶在工作面前方切断，压力明显增大，片帮严重，工作面中部煤壁由于压力持续时间长变酥，超出支架顶梁前端1.5～2.5 m的煤体沿顶垮落，随后在煤机机身段冒落大块矸石(长7 m，宽3 m，厚1.3 m)盖在运输机上导致不能及时推溜并拉架，顶板得不到有效控制。最后在工作面中部61#～93#支架发生大面积冒顶，冒顶段最大冒落高度达8 m，端面1.5～2.3 m，导致运输机被压死无法开启。42213工作面末采冒顶现场及示意图如图1、图2所示。

图1 42213工作面末采冒顶现场

图2 42213工作面末采冒顶示意图

2.3 过集中煤柱期间的顶板事故

在回采过程中，受地质条件、地面构筑物、边界和回采工艺等影响，遗留的顺槽间煤柱、切眼煤柱、回撤通道煤柱以及房采煤柱等，对下层煤开采存在不同程度的影响[3-4]，4-2、4-3煤与5-2煤的间距大，影响较小，但煤层间距较小的4-2煤遗留集中煤柱对4-3煤的开采影响较大，在4-3煤回采过程中出现过顶板急速下沉、漏顶、支架压死等现象。

43308工作面北部为4-3煤辅运、胶运和回风大巷，西侧为43307工作面采空塌陷区，东侧43309工作面正在准备，南侧为井田边界，上部13～17 m有42208工作面采空塌陷区，距切眼872 m有42208工作面切眼遗留集中煤柱，煤柱宽21 m。

43308工作面煤层直接顶为灰色粉砂岩，以长石石英为主，泥质胶结，厚度0～1.5 m，平均厚度1.15 m，老顶为灰色及灰白色中砂岩，泥质胶结，厚度12～12.65 m，平均12.35 m，伪底为深灰色泥岩，遇水泥化严重，厚度0.20 m；直接底为灰色粉砂岩，泥质胶结，具有缓斜层理及水平层理，厚度3.46 m。

43308工作面推进至872 m处，上覆前方为42208工作面切眼集中煤柱，煤柱宽度21 m，长度贯穿于整个43308工作面，开始推进过程中，随着推进距离增加，工作面矿压逐渐显现剧烈，主要表现在煤壁片帮、炸帮，顶板离层、切顶、安全阀个别开启、支架压力局部达到40 MPa以上，回顺超前支护范围内顶板有掉渣、离层现象，运顺副帮煤壁上方有炸帮、响声和局部片帮现象，当推进至42208煤柱下方为15 m时，矿压达到最大，工作面经过一刀煤(约为40 min)的时间后，25#～60#架采高由2.2 m下降到1.9 m左右，煤机由机尾将运输机拽回返空刀至30#～60#架进行快速推进甩压并割顶、割底扩大采高。

此时，机尾130#架以后开始冒顶，掉落大块矸石，煤机无法通过，停机进行放炮处理，并将支架全部超前拉出，顶在煤壁上，不允许有空顶部分，放炮处理大块矸石后，继续开机生产，先将机头30#～60#段多加一刀，将工作面前半部采高扩大后，返回机尾进刀，煤机继续推进两刀煤后，冒顶已经扩大到100#架，直到推进至42208切眼煤柱另一边缘，冒顶才得以控制，压力逐渐变小。

综采工作面过上覆集中煤柱区域时，由于工作面处于上覆煤柱应力集中区域，因此，工作面顶板压力将会增大，矿压显现明显。已有研究结果表明：综采工作面出煤柱阶段煤柱上方两块关键体形成的三铰式结构是不稳定的，两块关键体会随下部岩层的下移而发生相对旋转运动，最终导致下煤层关键层断裂块体上覆载荷的过大而失稳，这是造成此阶段工作面动载矿压发生的根本原因。当煤层厚度较大，直接顶较薄，煤层间距较小时，也有可能引发下煤层工作面进煤柱阶段的动载矿压。

2.4 工作面过薄基岩富水区

由于沟谷区域，基岩薄，顶板稳定性较差，直接顶强度较低，掘进工作面顶板状况差，常伴有顶板淋水，支护强度不足的现象，综采工作面过沟谷地段时随工作面推进顶板形成基岩全厚切落，无弯曲下沉带，老顶无法形成悬臂梁结构，冒落带高度增大，等效直接顶厚度变大，顶板铰接点上移，工作面支架基本处于压力减弱区，形成来压步距短，压力持续，峰值压力小等极易发生冒顶事故。

3 顶板管理措施

3.1 综采初采期间顶板管理

强制放顶：为保证综采工作面初采安全，防止初采期间顶板灾害，综采工作面初采推进5～6 m时，对切眼进行强制放顶。爆破孔沿切眼“一”字形布置，炮眼中线距切眼中线1 m(副帮侧，4-3煤0.75 m)，孔径90 mm，倾角30°，长度8～32 m，垂深4～16 m(炮眼深度与老顶关键层厚度有关，最深的炮眼垂深应超过老顶关键层)。其中强放炮眼掏槽眼8个1组，辅助眼每3个1组，5-2煤辅助眼规格为18 m、21 m、24 m；炮眼间距与顶板岩性有关，顶板岩性越致密、越稳定，炮眼间距越小，如5-2煤属于稳定型顶板，炮眼间距8 m，4-3煤炮眼属不稳定—较稳定型顶板，炮眼间距10 m，老顶特别稳定的情况下，可采用双炮眼布置，即每组炮眼的最深炮眼平行布置两个炮眼。炸药使用煤矿许用水胶炸药，使用导爆索、电雷管引爆，装药系数为0.7。

超前支护：回顺超前支护采用三排单体支护，间排距为1.5 m/1.5 m，初次来压后改为两排单体支护，间排距为1.5 m/2 m；运顺超前支护距离不小于25 m(18根)，回顺超前支护不小于20 m(15根)。

矿压观测：工作面初次来压前，要加强矿压观测，实行现场连续观测，重点关注顶板动态和老顶悬空情况。

警示要求：初次来压前，在支架上必须拴防倒绳，行人严禁在大脚前行走，在两端头支架侧用帆布密闭，且挂严禁入内警示牌，以免误入造成危险。工作面所有工作人员及进入工作面的检查人员必须戴防砸头盔，系好帽带，否则禁止进入工作面。

控制采高：严格控制合理采高，加强液压支架检修，确保支架完好，初撑力达到作业规程要求，来压期间，顶板状况不好时采用跟机拉架，滞后采煤机前滚筒3#～5#架。当顶板破碎，片帮严重时，及时拉移超前架。在顶板离层的情况下，采用“带压擦顶移架法”。

3.2 综采工作面末采顶板管理

神东矿区煤矿多采用辅巷多通道方式进行设备回撤，在工作面末采期间，主回撤通道不仅要承受辅回撤通道顶板压力，而且受工作面超前支承压力的影响。因此，为保证工作面末采安全，尽可能避开工作面来压，并加强回撤通道支护。

回撤通道支护：加强回撤通道支护，确保末采期间围岩状况良好。为保证贯通撤架时的安全，必须对回撤通道顶帮加强支护。首先对回撤通道顶板全部采用铁丝网进行补强，锚索、钢带加密支护，确保顶板稳定。同时对主回撤通道副帮联巷口进行包角补强。回撤通道内支护满足条件的垛式支架。

预测来压：为确保工作面贯通时有效避开来压，工作面末采距离回采通道200 m时加强矿压观测总结，以确保准确预测贯通来压。

合理采高：末采期间工作面压力显现较为强烈，表现为工作面煤壁片帮、炸帮现象严重，工作面两顺槽20 m范围内压力明显增大，片帮现象严重，工作面要保持合理采高。

快速掘进：根据来压持续时间决定快速推进以甩掉工作面压力，提高工作面与回撤通道贯通后的顶板稳定性，以利于综采设备的安全回撤。

检修支架：末采期间，必须提前检修支架，确保末采期间支架具备良好支护状态。对支架自卸问题应全面处理。及时更换支架自卸立柱和窜液立柱单向阀，确保支架均能有效支护顶板。集中更换立柱安全阀，确保其开启正常，支护阻力最大化。

3.3 综采工作面过上覆集中煤柱

针对4-3煤直接顶较薄，煤层间距较小，直接顶及老顶不稳定的情况，上覆切眼煤柱会对其造成很大的矿山压力，有可能引发下煤层工作面进煤柱阶段的动载矿压，根据以往压死支架的经验，4-3煤过上覆集中煤柱时需要重点关注与治理。43309工作面巷道布置平面图，如图3所示。

图3 43309工作面巷道布置平面图

4-3煤综采工作面过上覆集中煤柱区域时，工作面处于上覆煤柱应力集中区域，极易受到上覆集中煤柱应力影响，压死支架，应采取以下措施防治顶板事故。

支架选型：工作面配套设备时，应根据工作面的矿压显现情况，配置能满足矿压需求的支架，宜选用ZY/2.3/1.42型10 660 kN二柱掩护式液压支架(回撤通道垛式支架为ZZ18000/16.5/30和ZZ8100/13/25的搭配使用)。

专人观测：工作面推进至上覆集中煤柱及房采采空区前100 m时，区队要每班安排专人观测矿压，并做好观测台账，采煤技术员每50 m做一次矿压观测总结，有异常情况及时向总工程师和矿调度汇报。

甩压措施：支架工和控制台电工密切注意观察液压支架控制系统PM32(或压力表)压力值的变化情况。随时掌握工作面矿压状况，并根据实际情况采取甩压措施。工作面过上覆集中煤柱及房采采空区过程中，如果工作面某段出现顶板压力过大导致有支架压死或大面积冒顶的危险时，立即采取高压区加刀，稳压区甩刀快速推进工作面的方式甩压。

设备检修：工作面推进至上覆集中煤柱及房采采空区前100 m以内，对工作面设备进行全面检修，不得“带病”运行。保证每台支架的推、拉、升、降动作灵敏，管路畅通，加强液压系统的检修和维护，保证所有液压支架能够达到初撑力，保证所有支架的立柱能够平衡油缸，安全阀能够正常开启。

调整采高：工作面推进至上覆集中煤柱及房采采空区前50 m以内，对工程质量进行逐渐调整，适当卧底扩大采高，推进至10 m范围内，采高调整到正常采高以上0.1～0.2 m，液压支架支护状态确保良好，接顶严密，初撑力和工作阻力不得低于设计值的80%，采用邻架手动及时移架，以利于维护顶板。

割煤速度：煤机司机在割煤过程中合理控制煤机割煤速度，保证支架工能够实现跟机拉架。支架工拉架时，液压支架顶梁必须全断面接顶，达到初撑力。并根据顶底板平整度合理调整平衡油缸伸缩量，保证支架的合理架型和支架顶梁接顶效果。如顶板完整，支架滞后煤机前滚筒不大于5架；如顶板破碎，支架要紧跟煤机前滚筒；如顶板有漏矸现象，支架工必须根据梁端距尽可能超前拉架，并保证支架接顶效果。推溜工在生产过程中，要随时观察支架初撑力情况，并根据工作面支架初撑力情况及时对支架进行二次补压。控制台电工实时监控液压支架工作阻力及增阻情况，发现连续3架及以上初撑力不足时，要及时通知带班队长查明原因，及时处理。

连续生产：调度室协调生产期间，产留有足够的仓位，保证工作面推进期间的连续生产。

大块处理：工作面生产推进过程中，安排爆破工全程跟班，随时对工作面出现的大块矸石、煤块进行放炮处理，处理前，要尽可能保证煤机停在机尾顶板条件较好的位置，从机尾进刀割煤，保证顶板冒落的矸石运输畅通。

3.4 顶板事故的预防

为确保顶板管理安全，榆家梁煤矿成立顶板管理组织机构，明确分工，落实责任，建立顶板管理相关制度，严格执行措施，强化地质预测预报和矿压观测工作，加强日常监督检查，定期开展支护质量、顶板管理专项检查活动，在大断面及易冒顶区域及时加强支护，重点环节制定针对性安全技术措施进行落实[5-6]。同时加强人员培训与顶板事故应急演练，有效杜绝了顶板安全事故。在矿井顶板管理方面，具体采取了以下措施。

严格执行矿压观测制度：制定下发了《榆家梁煤矿矿压观测管理办法》，明确分工职责，落实奖罚制度，通过认真观测各顶板离层仪数据和统计综采回采工作面矿压记录，并使用矿压观测软件进行矿压分析，基本掌握了各煤层、各盘区基本顶初次来压步距、周期来压步距等矿压规律，编制了《榆家梁煤矿综采工作面矿压显现规律及顶板控制技术手册》，为工作面安全回采提供参考。

严格落实顶板支护：矿井根据各煤层顶板条件，合理制定巷道支护参数，采用锚杆+锚索支护方式，辅助以冷拔丝网、铁丝网、钢筋网、圆钢钢带、W钢带和π型钢带支护顶板，在大断面及易冒顶区域施工木点柱、木垛、架设工字钢棚等加强支护，对已冒落区域巷道采取道木充填刹顶，架设工字钢棚等方式进行处理。并结合榆家梁煤矿地质条件变化及井下实际支护情况，优化支护参数，做到技术、安全和经济的最佳结合。

认真执行综采工作面初次放顶工作和加强末采管理：各综采工作面初采推进5～6 m时，对切眼进行强制放顶。爆破孔沿切眼“一”字形布置，炮眼中线距切眼中线1 m(副帮侧，4-3煤0.75 m)，孔径为90 mm，倾角30°，长度8～32 m，垂深4～16 m，5-2煤掏槽眼及辅助眼的最深钻孔布置双眼。初末采等关键时期对工程质量和顶板状况进行重点管控，强化现场检查，严格落实相关措施。

加强构造带、特殊地段顶板管理：在构造带附近的井巷工程、掘进面迎头、采煤工作面上下出口、切眼口，顺槽三角区等地点，制定有效的防范措施，加强支护；顺槽三角区按规定及时退锚，悬顶超过规定时，采取堆积沙袋等措施，防止顶板冒落形成飓风。工作面在遇到冲刷、薄基岩、火烧区、煤层变化带等地质构造和出现煤岩酥软、裂隙发育、顶板离层、片帮增加等现象时，提前对顶板、两帮加强支护，及时进行补强支护，消除安全隐患。另外要求各班组每班开工前对作业区域的顶板、两帮进行详细巡查，严格执行敲帮问顶制度。

回撤通道重点支护：矿井采用辅巷多通道方式进行设备回撤，回撤通道采用高强度螺纹钢锚杆+锚索+金属网+W钢带加密支护(在顶煤不足300 mm时挂设钢筋网)，回撤时提前支设大阻力垛式支架辅助支护。

加强顶板事故预防与应急演练：矿井每年年初根据主要顶板类型和可能发生的顶板事故，制定针对性的顶板灾害应急预案、现场处置方案和顶板应急演练计划，每年适时演练。

4 结语

针对浅埋深下综采工作面冒顶事故发生的类型及原因分析，要加强综采工作面顶板的支护能力，选择合理的采高、配备合理阻力的支架，并对经常发生冒顶事故的地方要重点分析，采取合理、有效的安全技术措施，制定最佳的开采方案。还要加强作业人员的防灾、抗灾能力，遇到冒顶事故时，能够及时采取措施降低事故造成的危害，从而保证煤矿安全生产能够顺利进行。