大采高綜采面危害因素評估與頂板管理

王 維，陳 芳

(1.神東煤炭集團補連塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

頂板事故是煤礦生產中最常見的事故之一，據統計，在所有煤礦事故中，頂板事故占40%～50%。由此可見，頂板事故嚴重制約了煤礦的安全生產，因此，加強工作面頂板管理對于煤礦安全生產具有重要意義[1-3]。由于煤礦井下情形多樣，地勢復雜，因此必須加強對井下頂板管理，但由于受到部分開采或其他因素的影響，導致頂板冒落、冒頂等情況時常發生，不僅嚴重影響井下采礦的質量和效率，更重要的是極易對采礦人員和相關人員的人身安全造成威脅[4-7]。隨著我國現代化礦井建設的不斷推進，一礦一面、大采高一次采全厚綜采面的成果應用，尤其是神東礦區8 m采高綜采面的出現，使得頂板控制與管理尤為重要，頂板管理質量的好壞直接決定采煤工作面的生產效率[8-9]。因此，有必要針對大采高綜采面頂板管理進行研究討論，分析事故發生情況及原因，提高現場生產人員的責任感和安全意識，主動采取有效的措施，減少開采可能出現的安全事故。為此，以神東補連塔煤礦22411大采高綜采面為研究對象，開展采前危害因素評估與頂板管理方法探討。

1 工作面概況及采前危害因素評估

1.1 工作面概況

神東補連塔煤礦為現代化大型安全高效礦井，22411綜采面為22煤四盤區首采面。綜采面長度301 m，推采長度3 716.4 m，上覆基巖厚度為148～203 m，松散層厚度為0～28 m，煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度6.29 m，根據井下實際情況設計采高6.1 m。綜采面沿傾斜布置，以負坡推進為主，采用傾斜長壁后退式開采一次采全高全部垮落法處理采空區的綜合機械化采煤法進行回采作業。該綜采面采用EKF SL1000/6595型雙滾筒采煤機割煤和裝煤，ZY18000/32/70D液壓支架支護，DBT3×1600/2.05刮板運輸機、DBT700/350kW轉載機、DBT700/350kW膠帶機運煤，自然垮落法處理采空區等一系列生產工藝完成回采工作。

1.2 采前危害因素評估

初采期間危害因素評估：22411綜采面為首采面，類比礦井其他綜采面初次垮落情況，垮落步距一般在23～49 m。步距范圍較大，不確定因素較多，應采用水力壓裂初次放頂，破壞頂板的完整性，使其盡早垮落，減緩初次來壓對支架的破壞，確保初采安全。預計工作面推進至10～20 m范圍內直接頂初次跨落，50 m以內基本頂垮落，初次來壓可能形成颶風并導致人員、設備等安全事故的發生。

末采期間危害因素評估：22411綜采面預計距主回撤通道14.5～15.5 m時開始組織掛網貫通，為保證工作面安全、順利貫通，工作面需加強頂板及工程質量管理，防止工作面冒頂及壓死支架等事故發生。末采貫通期間，需要大量的登高作業、架前作業、使用高壓液體、啟停絞車等高危工序，極易造成人員傷害。

正常回采期間危害因素評估：22411綜采面符合埋藏淺、基巖厚度大等近淺埋煤層的特征。根據三盤區回采經驗，存在大小周期來壓、頂板臺階下沉、礦壓顯現明顯、來壓持續時間長、工作面片幫炸幫嚴重等特征，頂板維護困難；同時22411綜采面采高大，尤其遇工作面周期來壓時，頂板壓力大，頂板管理“五到位”制度執行不到位時，極易發生底鼓、冒頂、炸幫、漏矸等事故，對設備及人員安全存在較大的隱患。

防治水方面的危害因素評估：22411綜采面主要充水水源為上覆采空區積水、補連溝、上覆集中煤柱內存水、薄基巖區等，需要針對上覆采空區積水采用階段性疏放。經探測，采空區積水是22411綜采面出水的主要來源，可能會造成工作面涌水量增大，損壞設備和造成人員傷害。

一通三防方面的危害因素評估：由于季節性氣候變化，大氣壓的波動造成采空區氮氣涌出，采空區出現“呼吸”現象。從而引起22411綜采面回風隅角氧氣、一氧化碳濃度的波動，致使回風隅角及附近氧氣濃度下降、一氧化碳濃度上升，低氧期間一般濃度在17%～18%之間，存在安全隱患。

采空區著火危害因素評估：22煤層為Ⅰ級自燃煤層，發火期48 d，22411綜采面回采期間采空區著火后采空區內一氧化碳等有毒有害氣體溢出，以及其他危害因素會威脅工作面生產，屆時必須加強現場管理。

粉塵接觸濃度超限危害因素評估：在割煤及日常生產過程中，會產生大量的煤塵及巖塵，給人員健康帶來巨大隱患。

2 頂板管理

2.1 頂板管理方法

針對大采高綜采面，采用改變支護方式和調整移架順序方式進行管理。

支護方式：綜采面采用追機移架方式對頂板及時支護，滯后采煤機前滾筒2～3架拉架，當頂板較為破碎或來壓時滯后采煤機前滾筒1～2架拉架；打出護幫板滯后采煤機后滾筒3～5架，收回護幫板超前前滾筒3～5架。當梁端距大于800 mm時及時拉超前架；當拉出超前架后梁端距仍然較大時要打出伸縮梁，綜采面過破碎裂隙帶時或頂板離層的情況下，應采用“帶壓移架法”移架。

移架順序：針對兩端頭移架順序，為保證頂板穩定，應先從外向內移動端頭支架，即先移1#(150#)支架，然后移2#(149#)支架，再移3#(148#)支架，最后移過渡架4#(147#)。對于回順超前支架移架順序，當采煤機割至120#支架向機尾方向時，先向前移出最后一排兩臺支架一個步距，再向前移出一個步距，然后再向前拉移中間兩臺支架兩個步距，再向前推出第一排兩臺支架兩個步距。

2.2 回采面內頂板管理

加強設備檢修檢查，杜絕設備“帶病”作業：在生產過程中必須保證綜采面“三直兩平兩暢通”，所有設備正常運行，加強液壓支架檢修，保證液壓系統無竄漏液，支架動作靈活。

控制割煤工藝，確保頂底板完整：采煤機司機在割煤過程中要合理控制采煤機割煤速度，移架過程中要根據頂底板平整度合理調整平衡油缸，保證支架架形合理和接頂效果，及時支護頂板。同時，要根據頂板變化、地質構造情況等合理調整采高，保證過渡平緩。

實時監測支架壓力，掌握來礦壓規律：對支架壓力進行實時監測，及時觀察周期來壓情況，準確掌握來壓步距。來壓時要嚴格按支架操作的基本要求操作，應采用“帶壓移架法”及時拉架，組織快速推進，保證液壓支架端面距最小；采煤機司機必須按照層位進行回采，要根據頂板壓力、煤層厚度、直接頂巖性等各方面因素合理確定頂煤留設厚度，并在正常回采和周期來壓過程中有所區別。

及時移架支護，快速接頂：在頂板離層的情況下，應采用“帶壓移架法”，即首先將支架立柱快速下降，當支架頂梁與頂板稍有距離時，停止降架，立刻拉架使支架的頂梁與頂板相擦前移，將支架前移一個步距，停止拉架，然后升起支架，并且確保初撐力大小。在頂板比較破碎的情況下，應采用超前拉架法，稍降支架，將支架快速拉出頂到煤幫上，也可以采用快接頂板的辦法，采煤機先割底煤，下一刀返回時將頂煤割掉，支架拉出，運輸機推出后再拉一茬支架，快速接頂。

加強管理，及時上報：當綜采面出現設備故障停機時，要安排專人對支架進行二次補壓，同時保證護幫板全部打開；如果綜采面頂板狀況較差，要采取其他措施對頂板進行加固處理，當綜采面壓力顯現強烈時要采取措施防止支架壓死。跟班隊長每班對綜采面、兩順槽支護及頂板動態情況進行巡回檢查，綜采面頂板出現異常或支護強度不能滿足安全需要時，作業人員必須立即撤至安全地點并向調度指揮中心匯報，待隱患消除后方可進行作業。

2.3 端頭頂板管理

頂底接觸良好，及時調整：端頭支架初撐力根據實際情況調整，保證不漏頂以及相鄰支架搭接良好。端頭支架大腳嚴禁鉆底，以防壓住推移框架使橋式轉載機推移困難或損壞機頭啞鈴銷。

及時養護，準確操作：端頭支架必須專人維護，電纜、管線等必須完好無損；端頭支架移架前，要先檢查順槽支護情況，保證支護可靠；觀察橋式轉載機與支架是否有卡阻現象，如果有異常情況，必須處理后方可進行拉移。操作支架時，人員不得將頭部或身體其它部位伸出支架，升起支架后，觀察架間無漏矸現象再快速通過，防止架間漏矸傷人。

加強壓力監測，密切觀察采空區垮落情況：生產過程中，要經常觀察端頭支架的受力情況，當壓力較大，要盡快采取加刀方式，盡快移動端頭架，防止壓死支架。端頭支架護幫板為防止誤動作傷人必須全部執行上鎖管理。作業人員密切注意采空區頂板垮塌情況，發現有頂板未垮落現象及時向跟班人員匯報，并自身采取有效防護措施，防止頂板突然垮塌形成局部颶風造成人員傷害。

措施到位，靈活調整：回采過程中，根據端頭及出口情況，及時修改、補充加強綜采面端頭及出口的支護方式、范圍及相關措施，經審批后執行。

2.4 超前支護管理

回風順槽使用超前邁步架時，對超前段頂板支護提前進行破壞，且拉架后存在片幫傷人、頂板掉落活塊等隱患，因此要加強此區域安全管控。

頂板支護到位，編制專項措施：主運順槽頂板應采用錨索+錨桿+金屬網聯合支護方式，采用專用錨索超前支護頂板。回超前支護最好采用支撐式液壓支架支護頂板，推采過程中，如果頂板破碎時或壓力大時，應增大支護密度，提高支護強度，及時采取有效支護措施，補強大直徑高阻力錨索支護或更換高阻力巷道支架支護。

敲幫問頂，巡查到位：打設或回撤支柱時必須3人作業，一人監護，兩人操作，操作和監護人員必須站在頂板完好且有支護的位置。回采至聯巷附近時，司機負責觀察聯巷范圍內的頂板變化，發現不安全隱患，及時向跟班隊長匯報，以便采取加強支護措施，并安排專人使用敲幫問頂工具對兩順槽超前綜采面200 m范圍內頂幫情況進行全面檢查，對有片幫或冒頂危險的地方，要及時處理。

提前預防，及時補強支護：當綜采面兩順槽遇頂板破碎或松軟、斷層、冒頂區、底鼓嚴重時必須制定專項的安全技術措施。技術員或跟班隊長負責觀察頂板狀況，及時讀取頂板離層儀數據并分析，當頂板有明顯下沉時，必須采取補強支護措施。超前支護范圍之前已經打開的聯巷密閉，必須采取臨時封閉措施或設置柵欄懸掛醒目警示標識，嚴禁人員出入。兩順槽必須有備用的支護材料，備用單體(柱靴、柱帽)數量應不少于在用單體總數的10%，還要定期檢查單體完好情況，每天進行簡易排查，每周進行一次壓力測試，合格后方可繼續使用，否則必須升井。

2.5 順槽安全出口管理

巡查測量，確保安全出口通道通暢：綜采面兩順槽安全出口高度不得低于1.8 m，寬度不得小于0.8 m，不大于2.0 m。跟班隊長必須對綜采面推進度進行精確測量，并觀察上下安全出口的寬度，及時調整綜采面以保證行人寬度。每班對上下安全出口煤壁及頂板片幫進行處理，發現頂板破碎時應加強支護，并及時對超前30 m范圍內水溝進行清理，把石子、雜物清理干凈。

提高安全意識，及時調整出口：出入綜采面通過上下安全出口的所有人員必須要先觀察頂、幫情況，確認安全后方可通過。跟班隊長每班觀察上下安全出口情況，發現安全出口有變小的趨勢時，必須及時通過加甩刀調整出口，發現刮卡及時采取措施，并設置警戒。

通過現場應用，22411工作面已順利推進超過500 m，工作面未發生頂板事故，提出的具體措施及方法行之有效，能夠解決該工作面頂板安全問題。

3 結論

(1)通過對補連塔6 m以上大采高綜采面回采初期、中期、末期的礦壓、水害、一通三防等方面進行采前危害因素評估，針對性提出了工作面、端頭、兩順槽頂板管理措施，并經現場驗證，未發生頂板事故，措施行之有效。

(2)針對大采高工作面頂板管理方法，從支護方式、移架順序方面，提出了帶壓移架及從外向內順序移架的方法，確保了頂板安全；探討了在正常回采期間、綜采面端頭及內發生冒頂情況時，以及兩巷順槽及聯巷口的頂板管理的具體應急措施及方法，提出了“設備養護、實時監測、及時支護與補強、提前預防”等一系列具體措施，保證了大采高工作面順利開采。