浅埋深薄煤层综采面压架机理分析及防治对策

姚 海，王生彪

(1.神东煤炭集团，陕西 神木 719315；2.神东煤炭集团榆家梁煤矿，陕西 神木 719316)

0 引言

中国神华神东煤炭集团公司是我国最大的煤炭生产加工企业，煤矿主要分布在神府煤田，地处晋陕蒙三省交界处，地域辽阔，资源丰富，是全国第一个实现年产亿吨级的矿区。20世纪80年代，由于受采矿技术及装备制造水平的限制，矿区开发初期资源回收多采用房柱式采煤法。后来随着技术水平及装备业的快速发展，从90年代开始综合机械化开采工艺在神东得到了全面的推广运用，采区回采率也得到了大幅提升。可是，对于井田内的一些边角块段资源，采用综采回采时存在搬家倒面时间长，成本高，经济效益低下等问题，为了提高采区回采率神东公司采用装备简单，机动灵活，回采率高的短壁机械化采煤工艺，很好地解决了这一问题。然而这些小块段采空区对下层煤的安全回采造成极大威胁，稍有不慎将引发下层综采工作面顶板大量下沉，甚至压死支架。国内许多矿井，也积极需求各种手段和方法解决这一问题。打磨沟煤矿通过加强回采及掘进工作面的顶板管理水平和优化支护进行了过上覆集中煤技术研究，并取得了明显效果，实现了安全回采[1]；补连塔煤矿22303大采高综采工作面通过采用GSJ-1型矿压仪对ZYDC型单体液压支柱工作阻力进行监测和分析，并通过对工作面支护设备的可靠性和适应性进行分析，确定了采动影响范围及支承压力分布规律，为合理选择过集中煤柱支护方式提供了依据[2]；潘二煤矿18516工作面针对近距离煤层上覆煤层开采受支承压力的影响，运用数值模拟软件对工作面围岩应力场分布进行研究，结果表明：受煤柱高支承压力影响，工作面开采至该位置时容易出现片帮和冒顶等现象[3]。基于此，以榆家梁煤矿43303-2综采工作面为研究对象，对工作面发生压架机理进行分析研究，制定针对性的防治措施，以期达到矿井安全回采的目的。

1 工程概况

1.1 工作面基本情况

榆家梁煤矿43303-2综采工作面是4-3煤三盘区的第3个综采面，走向长702 m，倾斜宽351 m，平均煤厚1.7 m，设计采高2.0 m(受支架及煤机配套限制，割岩300 mm)。工作面采用全部垮落后退式综合机械化采煤法，回采率95%。工作面为浅埋深煤层[4]，平均埋深102 m，基岩厚52 m，松散黄土层厚50 m，地形起伏变化比较大。回采区上部18～22 m有4-2煤短壁回采面，工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 开采煤层顶底板情况表

1.2 设备配套

液压支架：选用波兰生产的TAGOR ZY10660/1.1/2.2型二柱支撑掩护式液压支架，共205台，其中机头、机尾端头支架分别为3、4台，过渡支架机头机尾分别为2台、1台，中部支架195台，见表2。

采煤机：选用JOY公司生产的7LS1A/LWS663型采煤机1台，见表3。

表2 塔高TAGOR ZY10660/1.1/2.2液压支架主要技术特征

表3 JOY-7LS1A LWS663型双滚筒采煤机主要技术特征

1.3 正常回采时周期来压情况

43303-2工作面正常回采时的周期来压步距5～7 m，每个圆班周期来压一次，来压时支架活柱下缩量达30～50 mm/刀，持续长度3～4刀，无压段持续4～5刀，来压时支架载荷最大46 MPa，显现较为明显，顶板稍有小块脱层、磷皮现象。

1.4 上覆煤柱情况

43303-2工作面推进2 m后，进入上覆42204回辅撤通道保护煤柱(全工作面)，煤柱净宽度23 m。工作面推进153.9 m后，上覆经过4-2煤房采空区应力集中煤柱。此后工作面直到贯通，117#架至机尾(长度143 m)段上覆存在4-2煤短壁回采工作面遗留煤柱，上覆基岩厚度75～104 m，层间距22 m。

2 压死支架过程与来压后工作面情况

2.1 压死支架过程

2月1日8：40分，工作面机头推进290 m，机尾推进299.6 m，平均推采295 m，此时机头已出42103切眼煤柱3 m，机尾超前机头9.6 m。零点班割完机尾三角煤，当煤机正准备向机头行进时，突然机尾至60#架支架安全阀开启(开启压力45 MPa)，支架立柱行程逐渐下降，支架压力大部分达到46 MPa以上，机尾段部分达到50 MPa以上，最大达到50.9 MPa，工作面整体煤壁片帮、炸帮严重，矿压显现强烈。为避免设备被压死，按以往经验，煤机司机立即将煤机行进至170#架附近准备快速推进甩压，当采煤机左滚筒退至167#架进刀时，机尾滚筒上方支架已压在滚筒上，采煤机牵引不能动作，无法运行，此时周边支架立柱行程已下降0.8～1.1 m，全部压在煤机电缆槽上部。

2.2 来压后工作面情形

发生压架时，工作面机头推进290 m，机尾推进299.6 m，平均295 m。工作面机头已出42103切眼煤柱3 m，机尾已进入4-2煤短壁回采采空区20 m。从2月1日中午12点记录的工作面矿压显示来看，15#架至机尾大部分支架压力都在44 MPa以上，最大达到49.2 MPa。整个工作面周期来压，机尾段局部出现切顶现象。

压架后，在地表实测塌陷裂隙位置，发现机头至机尾全部塌陷，机尾往机头方向195 m处塌陷裂隙较大，最宽裂缝8 cm，最高塌陷裂缝落差0.3 m，超前工作面全断面塌陷[5]，平均27 m，最大达到38 m，如图1所示。

图1 地表实测塌陷裂隙位置示意图

3 事故原因分析与防治措施

3.1 事故原因分析

直接原因：43303-2工作面压架位置上覆18～22 m有42103切眼煤柱及4-2煤短壁回采采空区，经查看4-2煤房采后地表下沉观测记录显示，当时房采采空区老顶未完全垮落。4-3煤综采面老顶垮落引发4-2煤房采采空区顶板垮落[6]，矿压叠加形成动载矿压[7]，是造成此次压架事故的主要原因。

间接原因：经钻孔资料分析，43303-2工作面压架位置上覆有21 m厚的岩层，其中有17.6 m厚粉砂岩老顶，老顶坚硬，顶板瞬间折断，来压剧烈，致使支架被压死，是造成此次事故的次要原因[8]。

43303-2工作面面长351 m，是4-3煤综采面最长的一个综采面，工作面推进速度慢，矿压显现强烈，周期来压频繁。

3.2 防治措施

深孔爆破:经分析，上覆房采采空区悬顶是导致此次事故发生的主要原因，因此采取在上覆4-2煤短壁回采集中煤柱对应地面施工大孔径钻孔进行强制爆破解危集中煤柱措施[9]。设计大孔径垂直孔7个，总进尺432 m，见表4。

表4 43303-2工作面地面爆破钻孔设计参数表

高压水预裂顶板:在43303-2工作面回风顺槽打孔对本煤层顶板实施高压水预裂进行弱化[10]，设计钻孔25个，总进尺为3 750 m，单孔长度150 m，间距16 m，仰角8°，见表5。

表5 井下高压水预裂钻孔设计参数

加强地表塌陷观测：加强43303-2工作面的矿压观测，矿总工程师每天组织对工作面矿压情况、地表塌陷情况、工作面顶板岩性及层位进行综合分析，预测工作面来压步距及来压强度，指导工作面进行安全回采[11]。

优化4-3煤北翼综采工作面布置：重新设计4-3煤剩余综采工作面，减小工作面长度，尽可能避免或减小综采面受上覆房采采空区及应力集中煤柱的影响，降低压架风险。

分段调斜：对受4-2煤集中煤柱影响区域调斜回采，工作面与集中煤柱呈斜交布置，调斜角度及距离以运输机上窜下移及安全出口的宽度情况而定。

4 结语

以神东公司榆家梁煤矿43303-2综采工作面压死支架为工程实例，提出了以地表深孔爆破解危集中煤柱及井下大孔径高压水预裂煤层顶板泄压技术为主要措施的防治对策，对类似开采条件煤矿的安全生产具有借鉴及推广价值。