孤岛工作面末采贯通压架分析及防治措施

薄勇吉

（西山煤电杜儿坪矿，山西 太原 030022）

1 工作面概况

杜儿坪矿1605孤岛工作面沿走向布置，回采煤炭资源为五采区大巷煤柱及残留边角资源，工作面北侧为已回采的1602和1603工作面，南侧为断层及已回采的1606综放工作面，西侧为已回采的3-边角02和3-边角03工作面，东侧为五采区三条大巷。工作面走向长678m，倾斜长160m,煤层平均厚度为5.8m，倾角4°，工作面标高为710～734m，开采深度为230m。该煤层老顶厚度为5.70～7.30m的粗、中、细粒砂岩、粉砂岩；直接顶厚度为0.15～4.80m的泥岩，泥岩裂隙发育，砂泥质胶结，易冒落；直接底厚度为3.00～7.50m的泥岩，深灰色，疏松，易碎，易风化。经测定，工作面瓦斯绝对涌出量为3.79m3/min，相对涌出量为0.85m3/t，二氧化碳绝对涌出量为5.21m3/min，相对涌出量为1.17m3/t，属低瓦斯工作面。

在工作面切眼发育F5-23断层，在工作面南侧发育F1断层和X-51陷落柱，回风顺槽沿F1断层布置，断层煤柱留设20m，断层落差18～20m，倾角75°；受陷落柱影响，工作面在遇陷落柱前留20m煤柱并拐弯，工作面成“刀把子”设计；距切眼186m揭露断距为3.5m的正断层，该断层处顶部、帮部破碎严重；工作面中部有两条空巷为五采区旧轨道和回风巷，轨道巷与工作面平交，回风巷位于工作面上方。受上述构造影响1605工作面回采时局部地段围岩破碎，并伴有裂隙水，工作面顶板易冒落、可能会出现顶板破碎、掉落矸石等情况。

图1 孤岛工作面布置示意

回采工作面平均煤厚为5.8m，采用走向长壁式综采放顶煤采煤法。工作面采用全部垮落法管理顶板，选用ZF2600/16/24B型液压支架支护顶板（114台），支架额定工作阻力2600kN，初撑力1932kN，支护强度0.47～0.53MPa；工作面选用6MG200-W型采煤机，SGB-630/2×110型刮板输送机。工作面采用综采放顶煤工艺，循环进度0.6m，采高2.2m，放煤 3.6，采放比 1：1.64，采取“隔一放一”放煤法，放煤步距0.6m，即“一循环一放”。

2 压架过程分析

1605孤岛工作面于2018年5月14日贯通，中班清煤。贯通后，工作面45架出现漏矸，顶板压力增大。支架回撤过程中，1605孤岛工作面回撤通道顶板下沉，导致80架到机头段大部分支架压死。2018年5月17～18日支架活柱最大下缩量达到1.5m，此期间支架压死，停采，采取措施复采后支架活柱下缩量有所减小，直到5月29日中班，孤岛工作面开始试运转，本次搬家倒面总共15天完成。

1605孤岛工作面贯通后顶板下沉，压死支架，致使此次搬家时间长达15天。且末采期间，设备频繁故障，影响该工作面贯通时间。为避免今后孤岛工作面回撤时压架导致工作面贯通时间滞后，本文将对孤岛工作面回撤时压架原因进行分析，并提出防治措施。

3 压架技术原因与机理分析

3.1 压架技术原因分析

经分析，导致压架的主要技术原因有三个，分别为：1605孤岛工作面与采空区动压传动未切断，孤岛工作面顶板受采空区动压传动影响较大，易导致应力集中，压力显现大于以往的综采工作面，是造成主回撤压架的主要原因；该面末采时等压时间为5h，等压时间比较短，也是影响回撤顶板下沉的主要原因之一；现场施工时，贯通前提前降低了采高，导致底板不平，留设的顶煤不足，使得支护效果变差也是原因之一。

3.2 机理分析

工作面基本顶岩层存在细粒砂岩层，通过对顶板钻孔取芯发现，基本顶垂高35m范围内岩层变化及层高变化较明显，细粒砂岩的高度最大为16m，且通过实验室对其力学性质进行测量，得出其单轴抗压强度为36.78MPa，单轴抗拉强度为4.2MPa，属于比较坚硬的岩层，为岩层控制的关键层。在其下方岩层为中粒砂岩，属于亚关键层，其抗压强度为23.3MPa。孤岛工作面回撤时，相邻采空区与工作面的动压影响会导致关键层应力集中明显，关键层的矿压会传递到其下方的亚关键层，相邻岩层会由于协同变形形成组合梁结构，上部岩层传递到下部岩层的应力如下公式所示：

式中：hi为第i层岩层的厚度；γi为第i层岩层的体积力；Ei为第i层岩层的弹性模量。

由于亚关键层在矿压较大的情况下不易形成稳定的砌体梁结构，通常会断裂形成悬臂结构，基本顶次关键层断裂就会导致支架活柱最大回缩量突变，导致压架状况的发生。

采用相似模拟试验对工作面回撤期间顶板形态进行研究，试验搭建的模型如图2所示，用槽钢通过螺栓固定，模型几何尺寸为3m×0.2m×3m.经验算，上部岩层作用下，对工作面的作用很小，所以此模型上部为自由面，不施加额外荷载。

图2 相似模拟试验架

试验前，布置116个水平位移及垂直位移测点，并且用精度为2″的光学经纬仪进行测量位移的测量。工作面开采按正常进尺每班3刀，顶板位移在开采初期均很小，推进19.2m时矿山压力开始显现，且周期来压强度不大，工作面推进36m时顶板开始出现离层现象，且随着开采工作继续，离层逐渐发育，直至关键层破断失稳，顶板完全垮落成扇形，垮落角约55°，垮落效果图如图3所示。

图3 顶板垮落效果图

4 压架处理措施

1）通过挖底增加采高，在底板不平及采高较低处可采用钻眼爆破法进行挖底，钻眼爆破的炮眼深度取2m，炮眼与底板的夹角取30°，在支架前距离输送机边缘30cm开始布置炮眼，且每个炮眼的装药量不宜太多，一般不超过2卷，图4为炮眼布置示意图。

2）采用挖底增加采高的同时，可采用拆卸护帮板的措施增加采煤机与支架之间的高度，6MG200-W型采煤机拆卸护帮板后采煤机和支架之间的高度最高可增加0.5m，可在一定程度解决压架问题，但是在支架活柱下缩量太大时，或者支架被压死时，此种措施仍不能保证工作面正常回撤。

图4 采取起底、破顶处理支架压死措施示意

3）通过破除顶板增加支架活柱行程可防止压架。顶板破除的方法仍然采用钻眼爆破法。打眼前，将支架顶梁的煤块、矸石清理干净，然后在顶煤上钻进深度1m的钻孔，钻孔水平布置。爆破完成后，在挑起平衡油缸的同时，升紧支架，将支架的初撑力增加到25.2MPa后放顶处理，工作面可正常回撤。图2为处理措施示意图。

5 压架预防措施

1）增加回撤巷道的高度，原有巷道高度为2.2m，增加到2.6m时支架活柱下缩量超过0.7m时支架才会被压死，才会影响采煤机通过；对孤岛工作面通过爆破或者注高压水的方法进行切顶卸压，提前切断孤岛工作面与1602、1603采空区的动压传动，减小采空区对孤岛工作面顶板的影响。

2）对工作面矿压情况进行实时监测，并且随着矿压的变化，及时调整锚杆支护的参数，并且制定相关应对矿压显现情况的预案。

3）ZF2600/16/24B型液压支架工作阻力偏小，针对本工作面的实际情况，可选择工作阻力相对较大的液压支架，保证液压支架有足够的工作阻力；施工过程中，严格控制采高，贯通前也不得随意改变采高，始终保证支架活柱的下缩量有余量。