煤礦回采工作面破碎頂板控制關鍵技術研究

摘 要：煤礦頂板事故嚴重影響煤礦的安全生產。依據某煤礦的實際工程地質條件及生產狀況，通過對回采工作面及超前破碎頂板冒落機理及影響因素、支架對極破碎頂板的適應性、破碎頂板管理方法的研究分析，得出發生端面冒頂的主要因素為地質因素、端面距、工作面推進速度、支架初撐力與支護強度及人為因素等。采用鋪金屬網、架走向梁、帶壓擦頂移架、加強職工培訓及工作面頂板管理等措施，可有效的確保工作面安全、高效生產。

關鍵詞：工作面；破碎頂板；控制技術

引言

煤炭是我國經濟穩定、持續、快速發展的必要保障。然而，煤礦采煤工作面頂板狀況及支護管理狀況直接關系到煤礦的安全生產和經濟效益。國內外關于采場頂板控制及“支架一圍巖”關系方面的研究成果對于指導一般條件下的煤層開采無疑是正確的，對于指導生產實踐，確保生產的正常進行起到了一定的積極作用。但應當看到，隨著科學技術和生產實踐的不斷發展，礦山壓力理論也需要不斷地完善和發展。通過對回采工作面及超前破碎頂板冒落機理及影響因素、支架對極破碎頂板的適應性、破碎頂板管理方法三方面的研究分析得出了破碎頂板條件下的回采工作面頂板控制關鍵技術。

1 礦井概況

煤礦位于安徽省濉溪縣城南15公里，宿州市西北約35公里。南起百善集，北至南沱河，南北長約8公里，東西寬約2～4公里，含煤面積約22.5平方公里。濉阜鐵路從礦區東南百善集通過，往北經青龍山轉符夾線接津浦、隴海及京九等干線。宿永與濉蒙公路在百善集交匯，交通較為便利。

煤礦可采煤層兩層，均形成于二疊系，其中6煤全區可采，5號煤層局部可采。

礦井地質構造形態為一總體呈近南北向延伸的左旋“S”型復式向斜構造盆地，共發育較大斷層20條，斷距大于30m的4條。

煤礦水文地質條件屬簡單～中等型（礦井北部為中等類型）。根據沉積特征及富水性，結合區域含隔水層組和本井田水文地質特征，將本井田劃分為新生界松散層含水層（組）、基巖風化帶含水層（組）、煤系砂巖裂隙含水層（組）和太原群灰巖含水層（組）。

2 綜采工作面破碎頂板控制技術研究

2.1 破碎頂板冒頂機理及影響因素分析

破碎頂板多發生在斷層帶、褶曲、節理裂隙穿舊巷隙等地段，主要表現為頂煤或頂板強度較低，在礦山壓力的作用下極易斷裂，有時頂板呈現為較碎塊狀，甚至粉末狀。破碎頂板冒頂的機理及規律如下。

2.1.1 由于地質變動過程中巖層受拉、擠壓或受剪切力的作用將巖層切斷形成斷層，破壞了頂板的完整性，使斷裂面附近頂板裂隙發育、破碎，斷層面間多充以粉狀或泥狀物，斷層面比較光滑，使上、下盤間的巖石無粘結力，使頂板管理失去了規律性。

2.1.2 由于地殼運動使地層巖石不再能承受水平壓力而出現褶曲，褶曲內的構造應力和殘余應力影響到原巖應力場的分布狀態，容易在背斜和向斜區域聚集大量的彈性能，引起局部冒頂。

2.1.3 由于煤層受擠壓作用的影響，使擠壓的煤、巖層變薄，而且頂板擠壓后會形成許多節理、裂隙滑動面，使頂板大多變的非常破碎，由于其單獨和孤立性，容易脫落造成局部冒頂，甚至有時把支架推倒，造成大冒頂。綜合機械化開采破碎頂板工作面端面冒頂是影響礦井安全、高產高效生產的重要因素，綜合考慮煤礦的實際工程地質條件及生產狀況，分析得出發生端面冒頂的主要影響因素如下。

（1）地質因素

煤與圍巖的強度、節理、裂隙、斷層、褶曲等地質構造是影響頂板穩定與否的內因。斷層落差越大，附近漲性構造裂隙越發達，巖性越松軟，冒頂可能性也越大。

（2）端面距

頂板冒落程度用冒落范圍占工作面總長的百分比表示，工作面端面距與冒落程度的關系見圖1所示。由圖中可以發現，隨著端面距的增加，冒落程度亦隨之增加。

（3）工作面推進速度

工作面推進速度是影響頂板冒落程度的另一重要因素，工作面推進速度增加，工作面支護速度也加快，這不僅減少了支架對工作面反復支撐的次數，減少了支架對頂板的破壞，而且降低了煤與圍巖的變形量，從而降低了工作面冒頂事故的發生。工作面推進速度與冒落程度的關系見圖2所示。

（4）支架初撐力及支護強度

工作面支架平均支護強度與頂板冒落程度大致呈雙曲線關系，見圖3所示。從圖中可知，端面冒頂事故的明顯變化區間為支架工作阻力在250～300 kN/m2，低于此區間，端面冒頂急劇增加，高于此區間，對端面冒頂的影響不大，因此合理的支架工作阻力對于防止冒頂事故的發生有重要影響。

支架的初撐力對支架的支護強度及最終支護效果有顯著影響，因此，應當確保工作面支架有足夠的初撐力。另外，良好的支護狀態會提高支架對頂板的控制能力，減少冒頂事故發生。

采煤工藝對支架的支護狀態也存在一定程度的影響。由于采煤工藝不當，偽傾角掌握不好，造成輸送機上竄下滑，支架不再垂直工作面，支架間呈臺階錯茬，會影響支架的支護狀態，導致頂板事故的發生。

（5）人為因素

人為因素是影響工作面冒頂事故發生的重要主觀因素，主要包括工人思想麻痹、違章違紀、技術缺陷及設計缺陷，工作面冒頂事故人為原因統計分析見圖4所示。從統計圖中可知，提高職工素質，加強工作面頂板管理是減少冒頂事故發生的又一重要途徑。

通過對破碎頂板冒頂及片幫的主要影響因素進行分析，并結合煤礦現場情況及礦壓觀測結果，煤礦存在地質構造較復雜、工作面推進速度較慢、支架工作阻力不足及初撐力不能達到要求等問題，容易形成工作面推進速度慢導致頂板冒頂及煤壁片幫嚴重，頂板冒頂及嚴重的煤壁片幫又導致工作面推進速度進一步降低，形成惡性循環，應當在開采過程中對以上幾個方面進行加強管理，保證工作面支架的初撐力及工作面推進速度，在后續支架的采購中可考慮提高工作阻力及改變現有架型。

2.2 破碎頂板的合理控頂措施

在回采工作面各項生產要素中，尤其是破碎頂板工作面，頂板管理作為一項關鍵內容被放在一切生產過程的首要位置。科學的頂板管理方法對保證回采工作面的施工安全、質量及高產高效等起到了極為重要的作用。

破碎頂板的主要特點就是其破碎易冒落。破碎頂板允許暴露的時間較短，暴露面積小，如不進行及時支護易發生漏頂事故，如得不到及時有效地控制，漏頂范圍會越來越大，甚至造成較大的冒頂事故。為了防止破碎頂板發生漏垮型災害，必須在局部冒頂發生以前就要妥善地控制住頂板。為此，基于皖北礦區某煤礦的實際工程及生產條件，根據破碎頂板的冒頂機理及影響因素，防止局部冒頂事故的發生，可采取以下措施。

2.2.1 加強工作面地質勘探工作，在工作面回采前必須提供詳細的地質說明書，包括工作面地質構造變化、斷層產狀、褶曲和破碎帶、節理裂隙發育狀況、水文地質情況等，并制定切實可行的、有針對性的措施。

2.2.2 充分做好及時支護及超前支護。采煤機割煤后先移支架，后移輸送機，可采取超前采煤機進行移架，使支架頂梁頂住煤壁，防止頂板暴露出來而得以提前支護。

2.2.3 破碎頂板在進入頂梁上方時已很破碎，且在頂梁上方形成厚度不等的浮矸層，移架時浮矸從架間及端面漏下，也可造成端面冒頂擴大。對于綜采、綜放工作面來說，最好盡量減少梁端距，如有可能梁端距為零最好。在這種情況下，要采用臨時支護的辦法來控制頂板。

2.2.4 煤層頂板不穩定，工作面盡量選擇前梁具有伸縮性能并帶有護幫板的支架，采煤機通過后立即前移支架或及時打開伸縮梁和護幫板，支護剛暴露的頂板煤幫，伸出伸縮梁，最大限度縮小端面距。

2.2.5 鋪金屬網。在支架頂梁上鋪金屬網，這是控制破碎頂板的有效辦法。鋪頂網能使破碎頂板形成一個整體，達到改善頂板之功效。頂網一般鋪雙層。

2.2.6 架走向梁。在煤壁靠頂板處掘一梁窩，將走向梁的一端架在煤壁上，另一端架在支架的頂梁上。如果煤壁容易片幫，則煤壁上不適宜或不能掘梁窩，這時可靠近煤壁側打一臨時貼幫柱，見圖5所示；

2.2.7 帶壓擦頂移架。移架時讓支柱仍保持一定的工作阻力，使頂梁貼著頂板擦頂前移，一定程度上可以減輕移架時頂板巖層的活動，減少由于移架而造成的頂板破壞。

2.2.8 加強職工培訓教育，使職工充分認識到局部冒頂的危害及加強工程質量的重要性。要總結防止局部冒頂經驗，把局部冒頂事故發生控制在最小范圍。

采取以上措施，并針對工作面的實際情況靈活運用，便可很好的控制煤礦頂板的局部冒頂事故。因此，為了有效控制局部冒頂，必須制定控制局部冒頂的針對性措施，加強對破碎頂板的管理與觀測，并對局部冒頂事故進行統計，總結規律，以便采取對策，做到防患于未然，減少甚至杜絕破碎頂板漏冒頂現象的發生。

3 結束語

通過分析某煤礦現有破碎頂板的性質及形成機理，了解現有設備對頂板的適應性，分析現有采區布置方式、工作面參數、回采工藝對破碎頂板控制的影響；分析現有管理方法的優缺點。使我們了解了煤礦頂板破碎發生的原理及成因，深刻認識到了頂板破碎的危害。對如何防止頂板破碎，加強回采工作面的安全生產，提出了幾項合理的，具有可操作性及實用性的建議，對煤礦后期發展具有指導意義。

參考文獻

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[2]徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1999.

[3]耿獻文.礦山壓力測控技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2002.

作者簡介：王金寧（1964-），男，安徽淮北市人，1989年畢業淮北建設專業學校，助理工程師，現任皖北煤電集團公司五溝煤礦安監部采掘科科長，從事煤炭技術管理工作。