综采工作面设计与顶板安全

2022-12-20高艳春

陕西煤炭 2022年6期

高艳春

(国能神东煤炭集团有限责任公司石圪台煤矿，陕西榆林 719315)

0 引言

随着矿井支护装备水平的不断提高，顶板事故比例逐年下降，但从全国煤矿事故统计来看，顶板事故仍然是煤矿发生频率最高、死亡人数最多的事故类型，仅2019年顶板事故发生次数和死亡人数分别占全国煤矿死亡事故总数的18.2%和27.2%。加强顶板管理，消除顶板隐患，仍然是矿井安全管理工作中非常重要的一部分。在设计源头上合理选择工作面宽度，优化工作面布置方式，减小工作面上覆集中煤柱、地表沟谷和工作面空巷等特殊地质条件的开采影响等，对矿井顶板安全管理有着至关重要的作用。

1 合理选择工作面宽度

石圪台煤矿3-1煤层上覆松散层厚度0～74 m，上覆基岩厚64～147 m，煤层埋深65.8～175.6 m，3-1煤层与2-2煤层间距23.45～52.03 m，平均间距34.99 m。

3-1煤层直接顶岩性为中粒砂岩、粉砂岩、细粒砂岩，中粒砂岩块状层理，粉砂岩夹细粒砂岩薄层，细粒砂岩泥质胶结，斜层理及变形层理，直接顶厚度3.4～11.2 m，平均厚度7.5 m；老顶岩性为砂质泥岩、细粒砂岩，钙质胶结，局部硅质，泥质胶结，自上而下粒度渐粗，其中砂质泥岩波状层理，细粒砂岩上部水平层理，下部波状层理为主，成分及结构成熟度较高，石英、长石含量达95%，老顶厚度10.2～32.6 m，平均厚度27.5 m；直接底岩性为粉砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩，粉砂岩水平层理，局部夹细砂岩薄层，砂质泥岩水平层理，细粒砂岩成分有石英、长石、云母，含少量黑色矿物泥质胶结，致密坚硬，直接底厚度3.5～10.55 m，平均厚度5.3 m。3-1煤层综采工作面配套液压支架型号为ZY12000/25/50D或ZY18000/25/45D，其液压支架中心距分别为1.75 m、2.05 m，支护强度均为1.52 MPa。

1.1 工作面宽度与矿压的关系

综采工作面初次来压和周期来压步距与工作面宽度呈负相关关系，工作面越宽，初次来压步距及周期来压步距越小，在工作面宽度达到一定值后，来压变化变小[1-2]。另外，对石圪台煤矿3-1煤层8个综采工作面宽度、非来压与来压期间的支架压力、动载系数进行统计分析，分析结果见表1。

表1 3-1煤层综采工作面矿压统计

矿井3-1煤层综采工作面宽度小于230 m时，动载系数逐渐减小；工作面宽度大于230 m后，动载系数逐渐增大，如图1所示。

图1 3-1煤层综采工作面宽度与动载系数拟合曲线

1.2 按支架阻力确定工作面宽度

根据支架阻力适应顶板冒落高度原则，确定最大工作面宽度。按照普氏压力拱理论，在顶板基岩较厚，风积沙载荷层很薄的情况下，由支架的支护强度优化确定工作面的宽度[3-7]，故保证3-1煤层工作面围岩控制安全的工作面宽度应为

B≤2fP/Ksγ

(1)

式中，P为液压支架的支护强度，1.52 MPa；Ks为安全系数，取Ks=1.7；γ为顶板加权平均容重，γ=2.34 t/m3；f为顶板岩石普氏硬度系数，取其平均值3.7。

经计算，石圪台煤矿3-1煤层综采工作面宽度应不大于283 m。

结合盘区开采规划及工作面宽度与矿压显现关系，采用工程类比法确定石圪台煤矿3-1煤层综采工作面宽度为260～320 m。

2 合理选择工作面的布置方式

2.1 工作面过集中煤柱

通过对石圪台煤矿3-1煤层3个综采工作面过上覆集中煤柱发生的动载矿压情况进行统计，见表2。分析发现：浅埋近距离煤层工作面在过上覆集中煤柱的过程中，动载矿压大多发生在出煤柱阶段，在下煤层工作面推出上覆集中煤柱边界时，顶板突发切落式破坏，这种切落结构不能维持其自身稳定性，对下煤层工作面产生冲击作用，造成动载矿压[8]；下煤层工作面过房采集中煤柱的来压强度要远大于过其他类型的集中煤柱(表1)。布置如图2所示。

表2 石圪台煤矿综采工作面过上覆集中煤柱动载矿压统计

图2 3-1煤层201～202工作面与上覆煤柱的位置关系

在工作面布置设计时应明确上覆集中煤柱的分布情况，同时要充分考虑下煤层工作面的开采规划布置，然后优化工作面巷道布置，避免出现工作面整体同步出煤柱的开采情形。

合理选择综采工作面遗留集中煤柱的走向布置：优化下煤层综采工作面的推进方向，将综采工作面推进方向与上覆集中煤柱的走向平行或呈一定夹角布置，如图3所示。

图3 31306综采工作面与上覆煤柱的位置关系

石圪台煤矿31306综采工作面与上覆孤岛集中煤柱走向呈87.89°夹角布置，同时在工作面推采过上覆集中煤柱期间，及时采取顶板定向长钻孔水力压裂和调斜措施，确保了工作面回采安全，其与3-1煤层二盘区工作面上覆集中煤柱呈90°的布置方式相比，效果明显。

合理选择工作面切眼与停采线位置：使得出上覆集中煤柱边界位于工作面开采范围之外或避开工作面过集中煤柱危险区域。石圪台煤矿统计出工作面过上覆集中煤柱的危险区域见表3。工作面布置如图4所示。

图4 综采工作面与上覆采空区位置关系

表3 综采工作面过上覆集中煤柱危险区域统计

工作面顺槽采用内错式或外错式布置：合理避开上覆集中煤柱应力影响区域。对于上覆10 m的集中煤柱，随着开采煤层距离的增加，附加应力逐渐减小，当煤层间距30 m以上时，垂直应力降至原岩应力的1.14倍，按应力扩散角34°计算，此处应力为煤柱正下方的35%，如果扩散角按45°计算，则降至18.6%。应力变化关系如图5所示。

图5 集中煤柱附加应力在底板的分布与衰减关系

石圪台煤矿31305回风顺槽与上覆集中煤柱走向呈0.4°夹角布置，在工作面的推进方向上，31305回风顺槽由集中煤柱的正下方逐渐偏移至集中煤柱边界外12 m位置，其煤层平均间距32 m，如图6所示。通过对31305回风顺槽在工作面回采期间超前压力与围岩变形的观测分析发现，巷道受二次采动影响的超前压力与两帮的鼓帮量逐渐减小，为此矿井逐渐取消了巷道帮锚索与顶板的纵向锚索支护。

图6 31304回风顺槽与上覆集中煤柱位置关系

合理选择工作面宽度：考虑工作面设备及矿山压力显现因素，用可靠性理论研究结果，当地质条件好时，工作面宽度比计算结果减少8%～14%，当地质条件较差时减少45%～52%[2]。

为有效避免31202综采面工作面过上覆集中煤柱发生动载矿压，造成工作面压架事故，石圪台煤矿结合31201工作面回采经验，将31202工作面分为31202-1和31202-2工作面，工作面宽度分别为180.2 m、162.2 m，较正常工作面宽度320 m减少49%和44%。在31202-1和31202-2工作面回采期间，虽发生了3次动载矿压事件，且工作面液压支架活柱最大下沉量达800 mm，但未发生一次压架事故，分面效果作用明显。在综采工作面过上覆集中煤柱前，如果对上覆集中煤柱采取地面深孔预裂爆破或井下深孔定向水力预裂措施，工作面宽度可以不用减少。例如为提高矿井资源回收率，石圪台煤矿对31203～31205工作面上覆集中煤柱采取了地面深孔预裂爆破，在工作面过上覆集中煤柱期间，虽然周期来压比较强烈，但从未发生压架事故。

2.2 工作面过地表沟谷

石圪台煤矿3-1煤二盘区地表柳根沟贯穿于31201、202-1、202-2工作面，柳根沟下坡段宽度33.3～81.2 m，沟底宽度77.6～131.1 m，上坡段宽度58.7～98.0 m，下坡段倾角20°～42°，上坡段倾角17°～27°。

工作面矿压显现强度与沟谷深度呈正相关，特别在沟谷上坡段易产生动载矿压。在回采工作面沟谷上坡段，坡角小于20°时，随着上坡角度的增加，地表台阶下沉量随之增加，当坡度大于20°时，增加幅度明显加大。在沟谷深度一定且主关键层被侵蚀的条件下，主关键层所处的层位越低，则工作面发生动载矿压的危险性也越高[9-10]。矿压统计见表4。

表4 31201～202综采工作面过柳根沟矿压统计

在工作面布置设计时，要结合地表沟谷分布情况，合理选择工作面宽度和推进方向，避免工作面推进方向与沟谷上坡段走向投影线平行。

2.3 工作面过空巷布置

在综采工作面过本层空巷过程中，由于超前支承压力与空巷围岩应力叠加作用，空巷围岩变形量大，在工作面与空巷贯通期间，易发生冒顶、切顶、甚至压架事故。为此在工作面设计时，首先应尽可能将空巷与工作面推进方向垂直或斜交布置，以减小工作面揭露空巷的面积；其次要合理选择工作面的空巷布置位置，将其布置在上覆基岩厚度变化小、地表地势起伏不大的位置，如图7、8所示。

图7 石圪台煤矿22306工作面与22上301回风下山布置关系

在综采工作面过下层空巷过程中，受采动支承压力作用，对下层空巷顶板产生一定程度的破坏，导致顶板岩层裂隙发育，若下层煤支护方式选择不当，支护强度偏低，极易发生冒顶事故。为此，需要结合工作面与下层空巷的距离，合理选择空巷补强支护方式与支护参数，以确保空巷支护安全。参考石门保护煤柱的留设要求计算下层空巷的保护煤柱垂高，对倾角小于或等于35°的煤层，穿煤点上方的石门保护煤柱的垂高可按下式计算[11]

h=30-25×α/ρ

(2)

式中，α为煤层倾角，取3°；ρ为常数，为57.3°。

经计算，保护煤柱的垂高为28.7 m。石圪台煤矿12401综采工作面下覆22402工作面巷道，煤层间距22.2～26.6 m，空巷采用锚网索联合支护，支护强度0.1 MPa；通过对22402工作面巷道在回采前后顶板离层和围岩沉降的对比观测发现，12401工作面回采对下层空巷影响甚小。