高頭窯煤礦G3-1102工作面礦壓顯現規律及壓架原因分析

呂 波

(華能集團內蒙古北聯電能源開發有限責任公司高頭窯煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 014316)

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高頭窯煤礦G3-1102工作面礦壓顯現規律及壓架原因分析

呂 波

(華能集團內蒙古北聯電能源開發有限責任公司高頭窯煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 014316)

結合高頭窯煤礦G3-1102工作面壓架情況，分析了礦壓顯現規律和壓架原因，結果表明，由于工作面開采時引起上覆煤柱應力集中并傳力于煤柱下兩側區域，從而導致上覆保護煤柱下兩側的區域支架壓死。

煤礦，回采工作面，礦壓，壓架原因

0 引言

回采工作面支架阻力以及回撤巷道的合理支護是保證工作面安全高效開采的重要因素。近年來，隨著科技的不斷發展，回采工作面支架阻力逐漸增加，已達國際領先水平。然而，先進的配套設施以及較高的支架阻力仍無法滿足煤礦開采的需要，即使在簡單的地質條件下仍發生了多起支架壓死事故，造成了巨大經濟損失，嚴重威脅著工人的人身安全。作為我國重要新型煤炭基地的神東礦區，自2007年以來，發生嚴重壓架事故約12起，造成近3億元的巨大經濟損失，嚴重影響著神東礦區安全生產。為此，針對神東礦區壓架機理及防護，許多學者進行了相關研究。鞠金峰等[1,2]基于神東礦區石圪臺煤礦壓架事故，通過理論分析、現場測試及模擬試驗進行了研究，認為出兩側采空煤柱階段煤柱邊界上方兩關鍵塊體形成的不穩定三鉸式結構和出一側采空煤柱關鍵層懸臂式破斷是壓架發生的主要原因，并認為縮小下煤層切眼距煤柱邊界的距離能夠有效避免煤柱上方關鍵層破斷，防止壓架。周海豐[3]針對該事故，認為合理優化工作面開采設計、對上覆集中煤柱實施預裂爆破、工作面調斜、礦壓觀測等措施，可有效避開綜采工作面應力集中，從而使周期來壓強度和動載礦壓降低，達到避免發生壓架事故的目的。

另外，其他礦區也有類似現象存在，如陜西崔木煤礦，發生壓架事故7起。同煤集團塔山煤礦和酸刺溝煤礦工作面支架工作阻力雖已高達15 000 kN，但由于切頂等原因造成多部支架損壞。為了防止壓架事故的發生，張亮提出了優化可控因素、弱化不可控因素的防治原則[4]。許家林[5]認為合理設計支架工作阻力是防治壓架冒頂的有效技術措施。高小金[6]認為實時的監測和盯防以及及時的加強支護可以有效避免壓架事故。

本文基于高頭窯煤礦壓架事故，分析了礦壓顯現規律和壓架原因。

1 工程背景

高頭窯煤礦位于鄂爾多斯盆地東勝煤田，侏羅系中下統延安組為本區的主要含煤地層。井田內可采煤層12層，其中大部分可采煤層5層，即2-3,3-1,4-1,4-2,5-1煤層。2-3煤為高頭窯煤礦首采煤層，G2-301工作面為2-3煤首采工作面，3-1煤為二層煤，G3-1102工作面、G3-1104工作面均位于該煤層，屬于采空區及煤柱下采煤，地質條件及礦山壓力情況復雜。G3-1102工作面末采期間，多處液壓支架壓死，主回撤通道巷道變形量較大，工人人身安全受到嚴重威脅，造成了較大的經濟損失，生產效率受到了較大影響，不符合現代化礦井安全、高產、高效生產的要求，針對高頭窯煤礦壓架災害的發生機理，提出合理的防治對策十分必要。

2 高頭窯煤礦G3-1102回撤通道及工作面礦壓顯現規律及壓架原因分析

2.1 G3-1102主回撤通道礦壓顯現規律

由于距離停采線15 m之前，副幫壓力保持穩定，故只分析距停采線15 m內幫部壓力變化情況。從圖1中可看出，當距離停采線11 m時，幫部壓力出現迅速增加，且13日下午工作面出現首次礦壓顯現，之后幫部壓力略微減小后繼續快速增加，此時明顯看到主回撤通道內第一聯巷與第三聯巷間的嚴重幫鼓，且部分錨桿托盤脫落失效。14日20時左右，出現第二次礦壓顯現，幫部壓力因釋放還有所降低，之后繼續增加，當距停采線4.8 m左右，幫部壓力達到第一峰值，隨后壓力逐漸較小，說明該段時間內出現第三次礦壓顯現。隨后雖然幫部壓力繼續增加，但第二峰值壓力與第一峰值壓力相差不多，維持一段時間后開始減小。

通過上述分析可知，回撤巷道礦壓顯現主要發生在距停采線11 m內，且每次礦壓顯現總會伴隨著壓力的降低；最大礦壓顯現發生在距停采線4.8 m以內，且貫通后發現副幫已發生較嚴重破壞，尤其以拱肩破壞最為嚴重，第一聯巷與第二聯巷間垂直回撤巷道軸線方向靠近工作面部分出現剪斷下沉；第二峰值與第一峰值相差不大，說明貫通前已經發生最大礦壓顯現，如果能更快的貫通巷道，即在第一峰值出現前貫通，可能能夠避免最大礦壓顯現的出現。

2.2 工作面末采期間及貫通后礦壓顯現

當工作面推進到距主回撤通道4.8 m時，工作面大面積異常來壓，造成工作面內43號、44號液壓支架壓死，40號～65號支架處出現底鼓，主回撤通道內頂板上覆煤柱下出現切頂，頂板整體下沉，達0.70 m，幫鼓約0.75 m。當推進到距主回撤通道4.2 m時，工作面內39號～45號、63號～70號液壓支架壓死，105號～110號液壓支架行程200 mm，主回撤通道內頂板最大下沉量達0.87 m，兩幫最大鼓出量1.03 m,截止2月2日主回撤通道內頂板最大下沉量達1.55 m，兩幫最大鼓出量1.04 m。

當回采工作面距離主回撤通道4.8 m時，從工作面頂底板切片可知，頂板切邊受到2-3煤工作回采影響較為明顯，應力集中區偏向G2-1101工作面側，但是靠近回采工作面煤壁應力集中情況兩側相似。從煤層頂部切片可知，應力最大應力集中點位于G2-1103工作面側煤柱，應力極值為13.2 MPa，而且上層順槽煤柱兩側的回采工作面前方煤柱應力集中情況較為突出，均達到10 MPa以上，由于回采工作面距離主回撤通道不足5 m，區間煤柱容易變形片幫，導致G3-1102工作面頂板下沉，出現部分區域壓架顯現。

2.3 壓架原因分析

G3-1102工作面末采階段礦壓顯現劇烈，造成多架液壓支架壓死，主回撤通道頂板累計臺階下沉達1.59 m，兩幫累計鼓出1.04 m，造成工作面設備回撤十分困難。其原因主要有：

1)停采線內錯距離偏小。G3-1102工作面與G2-3101工作面停采線間距6.4 m偏小。通過數值分析和現場調研可知，G2-3101與G2-3103工作面間的保護煤柱與實體煤交叉處的應力集中明顯，引起G3-1102工作面主回撤通道及停采線位置局部載荷劇增，剪切效應顯著，極易造成主回撤通道及工作面冒頂壓架。

2)多關鍵層頂板結構。G3-1102工作面頂板巖性不穩定，由砂質泥巖、中砂巖、細砂巖構成了多個關鍵層，在大采高條件下，形成穩定的砌體梁結構較困難，更易形成懸臂梁結構。末采期間動載較大，且作用時間較長，使得懸臂梁結構的大面積破斷冒落，導致礦壓顯現劇烈。

3)2-3煤采空區冒落不充分。巖移觀測表明，2-3煤工作面地表移動持續總時間約304 d。在上覆工作面回采穩定時間較短的情況下，G3-1102工作面回采時，受停采線附近應力集中作用的影響，上覆工作面頂板的動載與G3-1102工作面頂板垮落易形成動載疊加，形成較大的礦山壓力。

3 結論與建議

1)礦壓顯現主要發生在末采階段，工作面表現為支架壓死、底鼓明顯，主回撤通道表現為巷道變形量大。由于工作面開采引起上覆煤柱下兩側應力集中明顯，從而導致煤柱下附近支架壓死。

2)壓架現象與各煤層停采線內錯距離、多關鍵層頂板結構和2-3煤采空區冒落不充分有關。

3)為防止后續煤層采煤出現類似壓架現象，應加大各煤層停采線內錯距離，盡可能遠離預留煤柱區，同時應加強回撤通道支護強度。

[1] 鞠金峰,許家林,朱衛兵.神東礦區近距離煤層出一側采空煤柱壓架機制[J].巖石力學與工程學報,2013,32(7):1321-1330.

[2] 鞠金峰,許家林,朱衛兵.大柳塔煤礦22103綜采面壓架機理及防治技術[J].煤炭科學技術,2012,40(2):4-7.

[3] 周海豐.綜采工作面過上覆集中煤柱壓架機理分析[J].煤炭科學技術,2014,42(7):120-128.

[4] 張 亮, 李志剛,解興智.特厚煤層綜放工作面大面積壓架機制及防治技術研究[J].煤炭工程,2015,47(11):67-73.

[5] 許家林,朱衛兵,鞠金峰.采場大面積壓架冒頂事故防治技術研究[J].煤炭科學技術,2015,43(6):1-8.

[6] 高小金.關于綜采三隊43310工作面68號支架壓死的追查報告[J].山東工業技術,2014(8):82.

The analysis of mine pressure behave law and hydraulic support crushing about Gao Touyao Mine

Lv Bo

(HuanengGroupinInnerMongolia,NorthUmcEnergyDevelopmentCo.,Ltd,GaoTouyaoCoalMine,Erdos014316,China)

Combining with the pressing frame situation of G3-1102 working face of Gaotouyao coal mine, this paper analyzed the mine pressure behavior rules and pressing frame reason, the results showed that the overlying coal pillar stress concentration and force in both sides region of coal pillar caused by working face mining, resulting in bracket crushed of both sides of overlying protection coal pillar.

coal mine, coalface, mine pressure, pressing frame reason

1009-6825(2017)15-0241-03

2017-03-14

呂 波(1974- )，男，高級工程師

TD323

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