特厚硬煤下分层工作面两端头压架原因及预防

李瑞群，陈苏社

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

活鸡兔井1-2煤层总厚度为9.63～10.35 m，平均厚度为10.0 m，煤层倾角1°～3°，埋深76～106 m，普氏系数约为3，煤层韧性较好。原计划采用“上分层综采4 m、中间留2 m假顶、下分层再综采4 m”的回采方法，其中上分层4 m煤厚已经在2005年全部回采完毕。如果采用该回采方法，不仅顶板控制十分困难，而且将浪费2 m厚的煤炭资源，大量煤炭遗留在采空区还会造成自然发火的重大隐患。经过探索，决定对下分层6 m煤厚采用综放的回采方法进行回收，这种开采方法不仅大大提高了资源回收率，还杜绝了自然发火的安全隐患[1]。下分层综放面回采过程中矿压显现很小，中部没有周期来压，但两端头区域矿压显现明显，特别是在过上分层联巷的位置，矿压显现非常强烈，多次发生了压架事故。为此，以12下206-1综放面为例，从顶板结构分析出发，对综放面两端头过上分层联巷位置发生压架的机理进行分析研究。

1 开采概况

1.1 地质条件及开采方法

地质条件：12下206-1综放工作面长287 m，推进长度2 687 m，煤层平均厚度为6.0 m，埋藏深度80～110 m，上分层约4 m煤厚已回采，直接顶为2.6～3.5 m煤层，老顶为大于20 m厚度的细、粉砂岩(已垮落)，直接底为0.3～1.8 m粉砂岩，老底为大于10 m的细、粉砂岩。

开采方法：针对活鸡兔井1-2煤二盘区复合区10 m厚煤层上分层已采4 m的条件，对6 m厚的下分层采用综放开采方法，采高4 m，放顶煤2 m，如图1所示。该2 m厚的煤层可作为综采的顶板，不需要铺网，到了架后作为放顶煤进行回收，既保证了顶板安全，又回收了煤炭资源，图1为活鸡兔井1-2煤复合区开采方法示意图。

1.2 巷道布置及支护

巷道布置：下分层工作面巷道采用“外错式”布置，即下分层综放面的顺槽、切眼、回撤通道都布置在实体集中煤柱内[2]，并沿煤层底板掘进，“外错式”布置巷道示意图如图2所示。现场施工过程中，巷道掘进和回采期间的矿压显现都不明显，没有出现大的集中压力，回采时超前支护段正常情况下矿压也不明显，基本无离层、片帮，效果较好。

图1 活鸡兔井1-2煤复合区开采方法示意图

a-平面图；b-剖面图图2 12下206综放面“外错式”布置巷道示意图

巷道支护：由于下分层工作面的布置方式为外错式布置，因此正常段巷道采取“钢筋焊接网+圆钢锚杆+W钢带+锚索”的支护方式。在下分层巷道过上分层联巷的特殊位置采用“锚杆+钢筋焊接网+钢筋钢带+U29钢棚”的联合支护，每处过上分层联巷位置U型棚的架设数量根据层间距的薄厚合理确定，层间距在1 m以下、1～2 m、2～3 m和3 m以上时，架棚的数量分别为6架、5架、4架和3架。回采实践证明，采用这种支护方式完全能够满足巷道支护要求，过上分层联巷段巷道支护断面图如图3所示。

图3 过上分层联巷段巷道支护断面图

2 下分层综放工作面矿压显现情况

由于上分层开采后，上覆岩层已经全部垮落至地表，因此下分层综放面在推进过程中，综放工作面的中部不再存在老顶的周期性破断，也就没有周期来压显现[3-6]。

2.1 整体来压情况

综放工作面回采期间，机采采高3.2～3.9 m、实体煤层间距0.3～1.2 m，虚体煤厚0.7～1.7 m，埋深为65～98 m。整个回采期间工作面没有周期来压，顶板层间距在300 mm以上时无任何变化，顶板完整，不漏顶，煤壁无片帮，支架压力平缓，立柱无下缩情况，安全阀无泄液。

2.2 两端头压力显现情况

当工作面推进至982 m和1 150 m时，工作面机头段发生了压架情况。压架区域工作面埋深71～84 m，地表平缓，没有沟谷发育和其它地质等构造，发生压架时工作面推进位置如图4所示。

3 压架原因分析及预防措施

3.1 原因分析

图4 12下206综放面机头组合架压架位置示意图

顺槽布置：12下206综放面机头侧2条顺槽布置在上分层区段煤柱下，上分层煤柱宽度30.4 m，下分层煤柱宽13 m，下分层顺槽巷道距离上分层煤柱边缘的距离分别为3.5 m和3.1 m。12下206综放面机头侧上下分层顺槽位置平面示意图如图5所示，机头侧巷道顶煤结构剖面图如图6所示。

图5 12下206综放面机头侧上下分层顺槽位置平面示意图

图6 12下206综放面机头侧巷道顶煤结构剖面图

薄弱点区域分析：12下206综放工作面两顺槽布置在上分层顺槽煤柱实体煤下，随着工作面的不断推进，其端头支架上方的实体煤短悬臂梁纵向长度逐渐加长。当经过上分层联巷薄弱点区域时，由于上分层顺槽联巷的自由面作用以及短悬臂梁纵向长度和自重逐渐加大的作用，造成两端头短悬臂梁失稳破断垮落，连同煤柱上方的岩层重新垮落运动，产生较大压力[7-9]。当机头组合支架无法承受顶板压力时，造成压架，特别是机头组合架较长，延伸到采空区更深，压力显现更为明显。

顶板结构假设：由于上分层4 m厚的煤层已经回采完毕，而且时间已经很长，上覆岩层已经充分垮落到地表。因此造成端头压力的主要由上分层6 m的煤层形成的顶板结构，随着工作面的推进，悬臂长度不断增大，当悬臂梁到上分层的联巷时，收到薄弱点的影响，“悬臂梁”结构达到极限破断，形成“简支梁”结构，图7为顶板结构变化示意图。

a-“悬臂梁”结构；b-“简支梁”结构图7 顶板结构变化示意图

压力计算：根据顶板结构的假设，随着工作面推进，当悬臂梁达到极限垮落位置时，“悬臂梁”结构破坏转变为“简支梁”结构状态，如图8所示。按此时的“简支梁”状态对来压强度进行计算，见式(1)。

图8 “简支梁”结构计算示意图

RA=q·l

(1)

式中：q—上覆载荷，按照6 m煤厚计算，为0.078 MPa；l—上分层联巷的间距，为40 m；RA—作用在液压支架上的压力强度。计算得出RA为3.12 MPa，大于端头支架的额定工作阻力1.35 MPa。

根据计算得到，当下分层综放面推进到上分层联巷位置时，上分层顶煤结构破断，载荷作用在端头支架上，造成压架。

3.2 预防压架的措施

标定位置：区队采煤技术员提前在12下206运顺准确标记出上分层联巷和硐室对应的位置，要求上分层联巷两帮的位置均要准确标出，以准确掌握综放面推进位置与上分层联巷位置的相对关系。

加刀推进：为了保证机头能尽量多的加刀推进，快速通过上分层联巷位置，在煤壁位置刚刚进入联巷位置之前，将工作面调整到机尾超前的状态，为机头快速推进加刀创造好条件。

机头加刀：当煤壁推进至上分层联巷中间位置时，集中在机头加刀，直至煤壁推过上分层联巷煤帮3 m以上为止，再调整工作面正常推进。

设备检修：过上分层联巷位置前必须保证设备完好，加强设备检修，保证工程质量优良，以确保工作面的连续快速推进。

初撑力：机头组合架每刀煤必须升紧，确保每根立柱初撑力达到25.2 MPa以上。

水力压裂：提前采取水力压裂措施。可以考虑提前对上分层煤柱实体进行预裂，使上分层煤柱提前断裂，从而减弱过上分层联巷位置的来压强度。

4 结语

根据对活鸡兔井12下206综放工作面的顶板结构分析和计算，得出对1-2煤下分层的顶板结构假设为“悬臂梁”。随着工作面推进，“悬臂梁”达到极限，在上分层联巷的薄弱位置时，“悬臂梁”结构破断，形成“简支梁”的结构，根据分析结果制定的现场预防压架措施取得了很好的控制效果。