大采高综采面危害因素评估与顶板管理

王 维，陈 芳

(1.神东煤炭集团补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

顶板事故是煤矿生产中最常见的事故之一，据统计，在所有煤矿事故中，顶板事故占40%～50%。由此可见，顶板事故严重制约了煤矿的安全生产，因此，加强工作面顶板管理对于煤矿安全生产具有重要意义[1-3]。由于煤矿井下情形多样，地势复杂，因此必须加强对井下顶板管理，但由于受到部分开采或其他因素的影响，导致顶板冒落、冒顶等情况时常发生，不仅严重影响井下采矿的质量和效率，更重要的是极易对采矿人员和相关人员的人身安全造成威胁[4-7]。随着我国现代化矿井建设的不断推进，一矿一面、大采高一次采全厚综采面的成果应用，尤其是神东矿区8 m采高综采面的出现，使得顶板控制与管理尤为重要，顶板管理质量的好坏直接决定采煤工作面的生产效率[8-9]。因此，有必要针对大采高综采面顶板管理进行研究讨论，分析事故发生情况及原因，提高现场生产人员的责任感和安全意识，主动采取有效的措施，减少开采可能出现的安全事故。为此，以神东补连塔煤矿22411大采高综采面为研究对象，开展采前危害因素评估与顶板管理方法探讨。

1 工作面概况及采前危害因素评估

1.1 工作面概况

神东补连塔煤矿为现代化大型安全高效矿井，22411综采面为22煤四盘区首采面。综采面长度301 m，推采长度3 716.4 m，上覆基岩厚度为148～203 m，松散层厚度为0～28 m，煤层倾角为1°～3°，煤层平均厚度6.29 m，根据井下实际情况设计采高6.1 m。综采面沿倾斜布置，以负坡推进为主，采用倾斜长壁后退式开采一次采全高全部垮落法处理采空区的综合机械化采煤法进行回采作业。该综采面采用EKF SL1000/6595型双滚筒采煤机割煤和装煤，ZY18000/32/70D液压支架支护，DBT3×1600/2.05刮板运输机、DBT700/350kW转载机、DBT700/350kW胶带机运煤，自然垮落法处理采空区等一系列生产工艺完成回采工作。

1.2 采前危害因素评估

初采期间危害因素评估：22411综采面为首采面，类比矿井其他综采面初次垮落情况，垮落步距一般在23～49 m。步距范围较大，不确定因素较多，应采用水力压裂初次放顶，破坏顶板的完整性，使其尽早垮落，减缓初次来压对支架的破坏，确保初采安全。预计工作面推进至10～20 m范围内直接顶初次跨落，50 m以内基本顶垮落，初次来压可能形成飓风并导致人员、设备等安全事故的发生。

末采期间危害因素评估：22411综采面预计距主回撤通道14.5～15.5 m时开始组织挂网贯通，为保证工作面安全、顺利贯通，工作面需加强顶板及工程质量管理，防止工作面冒顶及压死支架等事故发生。末采贯通期间，需要大量的登高作业、架前作业、使用高压液体、启停绞车等高危工序，极易造成人员伤害。

正常回采期间危害因素评估：22411综采面符合埋藏浅、基岩厚度大等近浅埋煤层的特征。根据三盘区回采经验，存在大小周期来压、顶板台阶下沉、矿压显现明显、来压持续时间长、工作面片帮炸帮严重等特征，顶板维护困难；同时22411综采面采高大，尤其遇工作面周期来压时，顶板压力大，顶板管理“五到位”制度执行不到位时，极易发生底鼓、冒顶、炸帮、漏矸等事故，对设备及人员安全存在较大的隐患。

防治水方面的危害因素评估：22411综采面主要充水水源为上覆采空区积水、补连沟、上覆集中煤柱内存水、薄基岩区等，需要针对上覆采空区积水采用阶段性疏放。经探测，采空区积水是22411综采面出水的主要来源，可能会造成工作面涌水量增大，损坏设备和造成人员伤害。

一通三防方面的危害因素评估：由于季节性气候变化，大气压的波动造成采空区氮气涌出，采空区出现“呼吸”现象。从而引起22411综采面回风隅角氧气、一氧化碳浓度的波动，致使回风隅角及附近氧气浓度下降、一氧化碳浓度上升，低氧期间一般浓度在17%～18%之间，存在安全隐患。

采空区着火危害因素评估：22煤层为Ⅰ级自燃煤层，发火期48 d，22411综采面回采期间采空区着火后采空区内一氧化碳等有毒有害气体溢出，以及其他危害因素会威胁工作面生产，届时必须加强现场管理。

粉尘接触浓度超限危害因素评估：在割煤及日常生产过程中，会产生大量的煤尘及岩尘，给人员健康带来巨大隐患。

2 顶板管理

2.1 顶板管理方法

针对大采高综采面，采用改变支护方式和调整移架顺序方式进行管理。

支护方式：综采面采用追机移架方式对顶板及时支护，滞后采煤机前滚筒2～3架拉架，当顶板较为破碎或来压时滞后采煤机前滚筒1～2架拉架；打出护帮板滞后采煤机后滚筒3～5架，收回护帮板超前前滚筒3～5架。当梁端距大于800 mm时及时拉超前架；当拉出超前架后梁端距仍然较大时要打出伸缩梁，综采面过破碎裂隙带时或顶板离层的情况下，应采用“带压移架法”移架。

移架顺序：针对两端头移架顺序，为保证顶板稳定，应先从外向内移动端头支架，即先移1#(150#)支架，然后移2#(149#)支架，再移3#(148#)支架，最后移过渡架4#(147#)。对于回顺超前支架移架顺序，当采煤机割至120#支架向机尾方向时，先向前移出最后一排两台支架一个步距，再向前移出一个步距，然后再向前拉移中间两台支架两个步距，再向前推出第一排两台支架两个步距。

2.2 回采面内顶板管理

加强设备检修检查，杜绝设备“带病”作业：在生产过程中必须保证综采面“三直两平两畅通”，所有设备正常运行，加强液压支架检修，保证液压系统无窜漏液，支架动作灵活。

控制割煤工艺，确保顶底板完整：采煤机司机在割煤过程中要合理控制采煤机割煤速度，移架过程中要根据顶底板平整度合理调整平衡油缸，保证支架架形合理和接顶效果，及时支护顶板。同时，要根据顶板变化、地质构造情况等合理调整采高，保证过渡平缓。

实时监测支架压力，掌握来矿压规律：对支架压力进行实时监测，及时观察周期来压情况，准确掌握来压步距。来压时要严格按支架操作的基本要求操作，应采用“带压移架法”及时拉架，组织快速推进，保证液压支架端面距最小；采煤机司机必须按照层位进行回采，要根据顶板压力、煤层厚度、直接顶岩性等各方面因素合理确定顶煤留设厚度，并在正常回采和周期来压过程中有所区别。

及时移架支护，快速接顶：在顶板离层的情况下，应采用“带压移架法”，即首先将支架立柱快速下降，当支架顶梁与顶板稍有距离时，停止降架，立刻拉架使支架的顶梁与顶板相擦前移，将支架前移一个步距，停止拉架，然后升起支架，并且确保初撑力大小。在顶板比较破碎的情况下，应采用超前拉架法，稍降支架，将支架快速拉出顶到煤帮上，也可以采用快接顶板的办法，采煤机先割底煤，下一刀返回时将顶煤割掉，支架拉出，运输机推出后再拉一茬支架，快速接顶。

加强管理，及时上报：当综采面出现设备故障停机时，要安排专人对支架进行二次补压，同时保证护帮板全部打开；如果综采面顶板状况较差，要采取其他措施对顶板进行加固处理，当综采面压力显现强烈时要采取措施防止支架压死。跟班队长每班对综采面、两顺槽支护及顶板动态情况进行巡回检查，综采面顶板出现异常或支护强度不能满足安全需要时，作业人员必须立即撤至安全地点并向调度指挥中心汇报，待隐患消除后方可进行作业。

2.3 端头顶板管理

顶底接触良好，及时调整：端头支架初撑力根据实际情况调整，保证不漏顶以及相邻支架搭接良好。端头支架大脚严禁钻底，以防压住推移框架使桥式转载机推移困难或损坏机头哑铃销。

及时养护，准确操作：端头支架必须专人维护，电缆、管线等必须完好无损；端头支架移架前，要先检查顺槽支护情况，保证支护可靠；观察桥式转载机与支架是否有卡阻现象，如果有异常情况，必须处理后方可进行拉移。操作支架时，人员不得将头部或身体其它部位伸出支架，升起支架后，观察架间无漏矸现象再快速通过，防止架间漏矸伤人。

加强压力监测，密切观察采空区垮落情况：生产过程中，要经常观察端头支架的受力情况，当压力较大，要尽快采取加刀方式，尽快移动端头架，防止压死支架。端头支架护帮板为防止误动作伤人必须全部执行上锁管理。作业人员密切注意采空区顶板垮塌情况，发现有顶板未垮落现象及时向跟班人员汇报，并自身采取有效防护措施，防止顶板突然垮塌形成局部飓风造成人员伤害。

措施到位，灵活调整：回采过程中，根据端头及出口情况，及时修改、补充加强综采面端头及出口的支护方式、范围及相关措施，经审批后执行。

2.4 超前支护管理

回风顺槽使用超前迈步架时，对超前段顶板支护提前进行破坏，且拉架后存在片帮伤人、顶板掉落活块等隐患，因此要加强此区域安全管控。

顶板支护到位，编制专项措施：主运顺槽顶板应采用锚索+锚杆+金属网联合支护方式，采用专用锚索超前支护顶板。回超前支护最好采用支撑式液压支架支护顶板，推采过程中，如果顶板破碎时或压力大时，应增大支护密度，提高支护强度，及时采取有效支护措施，补强大直径高阻力锚索支护或更换高阻力巷道支架支护。

敲帮问顶，巡查到位：打设或回撤支柱时必须3人作业，一人监护，两人操作，操作和监护人员必须站在顶板完好且有支护的位置。回采至联巷附近时，司机负责观察联巷范围内的顶板变化，发现不安全隐患，及时向跟班队长汇报，以便采取加强支护措施，并安排专人使用敲帮问顶工具对两顺槽超前综采面200 m范围内顶帮情况进行全面检查，对有片帮或冒顶危险的地方，要及时处理。

提前预防，及时补强支护：当综采面两顺槽遇顶板破碎或松软、断层、冒顶区、底鼓严重时必须制定专项的安全技术措施。技术员或跟班队长负责观察顶板状况，及时读取顶板离层仪数据并分析，当顶板有明显下沉时，必须采取补强支护措施。超前支护范围之前已经打开的联巷密闭，必须采取临时封闭措施或设置栅栏悬挂醒目警示标识，严禁人员出入。两顺槽必须有备用的支护材料，备用单体(柱靴、柱帽)数量应不少于在用单体总数的10%，还要定期检查单体完好情况，每天进行简易排查，每周进行一次压力测试，合格后方可继续使用，否则必须升井。

2.5 顺槽安全出口管理

巡查测量，确保安全出口通道通畅：综采面两顺槽安全出口高度不得低于1.8 m，宽度不得小于0.8 m，不大于2.0 m。跟班队长必须对综采面推进度进行精确测量，并观察上下安全出口的宽度，及时调整综采面以保证行人宽度。每班对上下安全出口煤壁及顶板片帮进行处理，发现顶板破碎时应加强支护，并及时对超前30 m范围内水沟进行清理，把石子、杂物清理干净。

提高安全意识，及时调整出口：出入综采面通过上下安全出口的所有人员必须要先观察顶、帮情况，确认安全后方可通过。跟班队长每班观察上下安全出口情况，发现安全出口有变小的趋势时，必须及时通过加甩刀调整出口，发现刮卡及时采取措施，并设置警戒。

通过现场应用，22411工作面已顺利推进超过500 m，工作面未发生顶板事故，提出的具体措施及方法行之有效，能够解决该工作面顶板安全问题。

3 结论

(1)通过对补连塔6 m以上大采高综采面回采初期、中期、末期的矿压、水害、一通三防等方面进行采前危害因素评估，针对性提出了工作面、端头、两顺槽顶板管理措施，并经现场验证，未发生顶板事故，措施行之有效。

(2)针对大采高工作面顶板管理方法，从支护方式、移架顺序方面，提出了带压移架及从外向内顺序移架的方法，确保了顶板安全；探讨了在正常回采期间、综采面端头及内发生冒顶情况时，以及两巷顺槽及联巷口的顶板管理的具体应急措施及方法，提出了“设备养护、实时监测、及时支护与补强、提前预防”等一系列具体措施，保证了大采高工作面顺利开采。