屯蘭礦18403 工作面頂板控制及礦壓觀測(cè)

孫 國(guó) 強(qiáng)

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，生產(chǎn)工序和設(shè)備眾多，容易發(fā)生各類安全事故，對(duì)井下人員的人身安全造成較大威脅。頂板事故是常見(jiàn)的煤礦安全事故之一，主要由于煤層開(kāi)采破壞了地下巖層的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，而相應(yīng)的頂板支護(hù)強(qiáng)度不足，由此引發(fā)頂板控制失穩(wěn)[1-5]。尤其是沿空留巷工作面，由于兩巷斷面尺寸較大，因此頂板管理難度更大。雖然較高強(qiáng)度的頂板支護(hù)可減少頂板事故的發(fā)生，但是進(jìn)行頂板支護(hù)的材料和人力消耗較大，相應(yīng)開(kāi)采成本過(guò)大，因此，需要通過(guò)合理的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，在保證開(kāi)采安全前提下，盡量降低企業(yè)生產(chǎn)成本。本文將結(jié)合屯蘭礦18403 沿空留巷工作面的實(shí)際情況，對(duì)其頂板控制措施及礦壓觀測(cè)情況進(jìn)行研究[6-8]。

1 工作面概括

屯蘭礦18403 工作面井下位于南翼下組煤盤(pán)區(qū)右翼，北鄰18401 工作面（已完成回采），南鄰18405 工作面（已形成回采工作面）。18403 膠帶順槽復(fù)用18401軌道順槽沿空留巷，18403 軌道順槽進(jìn)行沿空留巷施工，供18405 工作面回采復(fù)用。工作面主采8 號(hào)煤層，煤層厚度1.8~3.15 m，平均2.67 m，局部夾一層炭質(zhì)泥巖；工作面切眼向外724~1 290 m 范圍內(nèi)煤層變薄，煤層整體向南西傾斜，最大傾角8°，最小傾角2°，平均約5°。工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)概況如表1 所示。

表1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)概況

18403 工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，基本回采工序?yàn)殡p滾筒采煤機(jī)破煤、裝煤→刮板輸送機(jī)運(yùn)煤→拉移液壓支架支護(hù)頂板→采空區(qū)處理。工作面按照“四采一充”組織施工，每推進(jìn)4 個(gè)循環(huán)，沿空留巷充填作業(yè)1 次，充填與回采平行作業(yè)，每天推進(jìn)6 個(gè)循環(huán)，單個(gè)循環(huán)進(jìn)度為0.8 m。工作面最大采高3.15 m，最小采高2.2 m，平均采高2.67 m。

2 工作面頂板變形影響因素

研究表明，影響頂板變形量的因素主要包括以下4 個(gè)方面：

1）直接頂厚度。直接頂?shù)暮穸扰c其抵抗變形的能力成正比關(guān)系，厚度越大，頂板的變形量越小，因此在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)注意根據(jù)直接頂?shù)暮穸葘?duì)支護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化，兼顧安全和經(jīng)濟(jì)。

2）頂板彈性模量。頂板彈性模量越大，其強(qiáng)度和硬度越高，在壓力作用下變形越小。

3）巷道斷面寬度。巷道斷面寬度增大時(shí)，頂板的懸空長(zhǎng)度增加，變形量也相應(yīng)增大。隨著當(dāng)前大型綜掘綜采設(shè)備的應(yīng)用，巷道斷面尺寸不斷增大，因此巷道斷面寬度的影響也愈加明顯。

4）支護(hù)阻力。支護(hù)阻力一般與液壓支架的工作能力或其它支護(hù)措施相關(guān)，一般情況下，支護(hù)阻力越大，對(duì)頂板的支撐效果越好，頂板變形量越小。但對(duì)于沿空留巷等情況，為防止過(guò)大的支護(hù)阻力導(dǎo)致破碎直接頂擠入采空區(qū)，使錨固設(shè)施失去著力點(diǎn)，應(yīng)選擇合適大小的支護(hù)阻力。

3 頂板控制措施

3.1 總體措施

根據(jù)同一煤層相似工作面頂板管理經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)18403 工作面直接頂初次垮落步距為10~15 m，初次來(lái)壓步距為20~25 m，來(lái)壓程度明顯；周期來(lái)壓步距為15~20 m，來(lái)壓程度不明顯。最大平均頂?shù)装逡平繛?00 mm。直接頂屬中等冒落型，基本頂級(jí)別為Ⅱ級(jí)，巷道超前影響范圍為20 m。根據(jù)以上礦壓參數(shù)，確定18403 工作面、兩巷及端頭頂板的總體控制措施如圖1 所示，工作面主要采用液壓支架進(jìn)行支護(hù)，兩巷及端頭主要采用單體工字鋼棚及單體戴帽點(diǎn)柱等方式支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)及注意事項(xiàng)見(jiàn)后文所述。

圖1 工作面、兩巷及端頭頂板控制措施

3.2 工作面頂板支護(hù)參數(shù)

根據(jù)18403 工作面頂板現(xiàn)狀及支護(hù)需求，采用155 臺(tái)ZZ5200/17/35E 型支撐掩護(hù)式液壓支架對(duì)工作面頂板進(jìn)行支撐，其中包含3 臺(tái)端頭架。另外，在沿空留巷一側(cè)采用2 臺(tái)ZZTM2×11300/19/35H 型充填模板支架。液壓支架最大控頂距5 476 mm，最小控頂距4 676 mm，移架步距800 mm。

正常頂板條件下，采用追機(jī)移架方式對(duì)工作面頂板進(jìn)行控制，即采煤機(jī)割煤后，在距離后滾筒3~5 個(gè)支架架位時(shí)進(jìn)行移架操作，移架后需及時(shí)打出護(hù)幫板，然后再拉移刮板輸送機(jī)。另外，嚴(yán)禁液壓支架發(fā)生咬架、擠架，且支架中心距偏差不超過(guò)0.1 m，支架頂梁與頂板平行，最大仰俯角不大于7°，支架垂直頂?shù)装澹嵝苯遣淮笥?°。

特殊頂板條件下，工作面頂板控制采取以下措施：①當(dāng)頂板已破碎時(shí)，應(yīng)在距離采煤機(jī)后滾筒2~3個(gè)架位時(shí)，及時(shí)帶壓超前移架，并打出護(hù)幫板；②當(dāng)發(fā)生片幫、冒頂?shù)韧话l(fā)情況時(shí)，應(yīng)利用液壓支架護(hù)幫板對(duì)煤壁進(jìn)行支護(hù)，或用板梁勾頂，并升緊支架；③基本頂初次來(lái)壓及周期來(lái)壓期間，應(yīng)加強(qiáng)來(lái)壓預(yù)測(cè)，并要求所有支架初撐力不低于24 MPa；④工作面過(guò)斷層時(shí)，需嚴(yán)格控制采高和支架初撐力要求，且執(zhí)行過(guò)斷層專項(xiàng)安全技術(shù)措施。

3.3 兩巷及端頭頂板支護(hù)參數(shù)

3.3.1 兩巷頂板控制

為防止頂板來(lái)壓對(duì)巷道的破壞，需對(duì)兩巷進(jìn)行超前維護(hù)。膠帶順槽的超前支護(hù)采用“單體工字鋼棚”形式，由于該巷道為原18401 沿空留巷復(fù)用巷道，因此盡管巷道超前影響范圍為20 m，但超前支護(hù)距離應(yīng)擴(kuò)展至大于50 m，在遇頂板特殊情況時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)超前距離。支護(hù)參數(shù)如圖1 所示，工字鋼排間距0.8m，單體液壓支柱打設(shè)在距兩側(cè)煤幫0.3m 處，工作面靠保險(xiǎn)幫側(cè)向外15 m 范圍需打設(shè)中柱，中柱與轉(zhuǎn)載機(jī)距離為0.3m，由此可保證人行道寬度大于0.8m。

軌道順槽超前支護(hù)采用“單體工字鋼棚+單體戴帽點(diǎn)柱”形式，由于該側(cè)為新開(kāi)拓巷道，因此超前支護(hù)距離設(shè)定為35 m，鋼梁排間距1.1m。需保證各單體柱迎山有力、升緊打牢，打設(shè)位置偏差小于0.1 m。

3.3.2 端頭頂板控制

機(jī)尾采用充填模板支架配合戴帽點(diǎn)柱進(jìn)行維護(hù)。模板支架頂部鋪設(shè)金屬網(wǎng)，板梁和工字鋼間隔布置，并打設(shè)錨桿。

機(jī)頭采空區(qū)側(cè)采用端頭液壓支架配合雙排戴帽點(diǎn)柱進(jìn)行維護(hù)，排間距0.8 m，柱間距0.3 m，后排密集支柱與液壓支架切頂線對(duì)齊，密集支柱距幫和端頭支架的距離均不大于0.3 m，鐵柱帽垂直于工作面放置，柱帽必須用8 號(hào)鐵絲與頂網(wǎng)拴牢。兩段密集支柱之間必須留有0.5 m 以上的安全出口。另外，當(dāng)工作面端頭液壓支架距保險(xiǎn)幫超過(guò)1m 時(shí)，需用戴帽點(diǎn)柱進(jìn)行維護(hù)，以確保空頂面積不大于0.8 m×0.8 m。

4 礦壓觀測(cè)

4.1 工作面礦壓觀測(cè)

18403 工作面采用YHY60 光感式壓力表配合KJ216 煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)支架支撐力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。KJ216 煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每8 個(gè)支架安設(shè)1 臺(tái)壓力無(wú)線傳感器，共20 臺(tái)。傳感器采用無(wú)線通訊的方式將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)分機(jī)，監(jiān)測(cè)分機(jī)再通過(guò)無(wú)線傳輸方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主站，監(jiān)測(cè)主站通過(guò)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)服務(wù)器。其余液壓支架每個(gè)安裝1 臺(tái)YHY60 光感式壓力表，壓力表讀數(shù)每天安排專人每5臺(tái)架記錄1 臺(tái)支架的讀數(shù)。

每次操作支架結(jié)束后都必須將支架升緊，保證支架初撐力不小于24 MPa。

4.2 兩巷及端頭礦壓觀測(cè)

1）兩巷超前段及端頭的礦壓觀測(cè)。兩巷超前段及端頭的單體液壓支柱工作阻力采用單體測(cè)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。打完單體液壓支柱后，需對(duì)單體支柱的初撐力進(jìn)行及時(shí)測(cè)量，以檢查單體柱初撐力是否滿足大于12 MPa 要求，不滿足要求時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)液。

其它礦壓觀測(cè)指標(biāo)還包括頂板移近量及移近速度、支柱下縮量、頂板破碎程度及冒落情況、煤壁片幫情況等。

2）兩順槽的頂板礦壓觀測(cè)。在兩順槽頂板上每隔50 m 設(shè)置1 組LBY-3 型頂板離層儀，如圖2 所示，在巷道來(lái)壓顯現(xiàn)、有地質(zhì)構(gòu)造等特殊地段也布置1 組。要求兩順槽距工作面100 m 范圍內(nèi)的頂板離層儀每天觀測(cè)1 次，100 m 以外的頂板離層儀每7 天觀測(cè) 1 次。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著煤礦沿空留巷巷道斷面尺寸的增大，為提高煤礦生產(chǎn)的安全性和支護(hù)可靠性，同時(shí)降低支護(hù)成本，本文以屯蘭礦18403 工作面為例，首先分析了工作面頂板變形量的影響因素，然后分別從頂板變形總體控制措施、工作面頂板支護(hù)參數(shù)、兩巷及端頭頂板支護(hù)參數(shù)等方面研究了該工作面的實(shí)際支護(hù)措施，隨后對(duì)工作面、兩巷及端頭的礦壓觀測(cè)方法進(jìn)行了分析。

研究?jī)?nèi)容對(duì)煤礦沿空留巷工作面的頂板支護(hù)控制及礦壓觀測(cè)具有積極參考價(jià)值。