淺埋深超大采高工作面反復切頂分析與防治措施研究

曲秋揚

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地(榆林)開采工程技術有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引 言

陜北榆神礦區是我國煤炭優質資源產區，該煤層具有儲量大、賦存單一、發熱量高、埋深淺等特點[1-2]。目前，該礦區主要開采3號煤層，該煤層薄基巖、厚松散層的地質特征使得煤炭回采過程中容易發生頂板切頂和壓架事故[3-4]，給安全生產帶來了重大隱患。針對類似的地質問題，我國學者從礦壓顯現規律、覆巖破斷機理、結構理論與假說、壓架機理等多方面進行了研究。張國恩等[5]研究了烏蘭木倫礦工作面及順槽的礦壓規律；曹啟正[6]通過分析涼水井42107工作面回撤期間大面積切頂壓架事故，提出雙關鍵層、大小周期壓理論等；黃慶享等[7]提出了淺埋煤層初次來壓的“非對稱三角拱”和周期來壓的“臺階巖梁”結構模型；金璐[8]、薛東杰等[9]、黃正全[10]研究了覆巖破壞頂板裂隙發育情況及煤礦的突水潰水性；侯忠杰[11]、方新秋等[12]、董愛菊等[13]研究了厚松散層對工作面頂板管理的作用及來壓機理，指出黏土層的厚度對頂板的穩定性具有積極性作用；許家林等[14]認為松散承壓含水層的載荷易導致薄基巖條件覆巖關鍵層產生復合破斷，從而造成基巖的整體破斷和砌體梁結構的滑落失穩；石平五等[15]薄基巖在厚沙覆蓋層作用下的整體切落是頂板破斷運動的主要方式。郝家梁煤礦南部火燒區使得煤層尖滅、基巖變薄，工作面推采過程中基巖由薄到厚，使得來壓強度、步距前后不一致，前人的研究成果已經無法直接指導現場生產實際，因此需要單獨探討具體成因與防治措施。

1 工作面基本開采條件

30106工作面走向長1 848 m，傾向長220 m，平均煤層厚8.5 m，埋深140～200 m，由切眼至回撤通道煤層埋深逐漸增加。工作面東北部為工業廣場，西南部為備采工作面，東南部為該井田的火燒區，西北部為井田邊界。采掘工程平面如圖1所示。

圖1 采掘工程平面圖Fig.1 Layout of mining face of excavation engineering

3號煤層上覆基巖厚度由切眼至回撤通道逐漸變薄，具體鉆孔描述情況見表1。由表1可知，切眼處大部分基巖處于風化裂隙帶中，強度較小，全工作面土層較厚，為典型淺埋深薄基巖厚松散層類型。

表1 30106工作面鉆孔描述表Table 1 Drilling description of 30106 working face

該工作面采用超大采高一次采全高開采，配備MG1000/2550-GWD型采煤機，采高為7.0 m，液壓支架型號為ZY18000/34.5/74，最大支護高度7.4 m，液壓泵站額定壓力為31.5 MPa。由于該煤層的特殊地質條件，采用超大采高開采時，煤層上覆巖層破壞劇烈，極易發生切頂。

2 30106工作面切頂特征

30106綜采工作面回采過程中共發生切頂事故16次，事故統計見表2。

表2 30106工作面來壓切頂事故Table 2 Roof cutting accidents of 30106 working face

由表2可知30106工作面切頂特征如下所述。①范圍廣、下沉量大、動載強烈。切頂范圍50架次以上的占比為56%，最大可達96個支架；下沉0.5 m以上的切頂事故占比75%，最大下沉量為1.0 m，次數達5次。 而且由于來壓的作用，甚至發生了壓死運輸機的事故。由此可見，礦壓顯現十分劇烈。 ②架前切頂具有見方特征，工作面寬度220 m，450 m處切頂處于2次見方范圍；643.7～664.8 m處切頂，處于3次見方范圍；871.7 m處切頂，處于4次見方范圍；1 048.3～1 105 m處切頂，處于5次見方范圍；1 402.2 m處切頂，處于6次見方范圍；1 526～1 601 m處切頂屬于7次見方范圍。通過統計歷次切頂事件發生位置可知，具有見方切頂特征。③切頂時，地表迅速形成臺階下沉。統計6月18日—7月6日的地表塌陷情況，部分來壓時地表臺階下沉位置與工作面推采位置正對應，如6月18日、6月20日和6月24日；多數來壓時地表臺階下沉位置略滯后于工作面推采位置，滯后距離4.7～22.5 m不等，均在周期來壓步距范圍，切頂動載能夠作用于工作面支架上(圖2)。

圖2 地表臺階下沉與工作面推采位置對應關系Fig.2 Corresponding between surface bench subsidence and mining position of working face

3 架前反復切頂原因

1) 煤層賦存條件。30106工作面埋深淺、基巖薄且具有厚松散層，來壓時容易發生薄基巖層與上覆巨厚松散隨動層的整體切落破斷，并且破斷后頂板巖層難以形成穩定的承載結構，僅僅依靠破斷面滑動摩擦力抑制破斷巖層的下沉運動，使得巨厚破斷巖層的殘余重量直接傳遞作用于支架上，導致支架無法承受該動載，進而發生架前切頂。

2) 來壓步距大、動載強度大。 由表1可知，大范圍、大下沉量切頂時基本推進至600 m以后。 此時，工作面上覆基巖變厚，頂板具有一定的穩定性，但無法形成穩定的承載結構，隨著基巖越來越厚，破斷基巖越來越長，造成來壓步距變大，導致動載更加強烈。

3) 支架支護強度不足。30106超大采高綜采工作面的礦壓曲線分析如圖3所示。由圖3可知，非來壓時，支架壓力增阻小，由初撐力到末阻力呈近水平分布；來壓時，支架壓力呈急增阻，由初撐力至末阻力呈類似于指數函數分布。

圖3 62號支架礦壓曲線圖Fig.3 Rock pressure curve of No.62 support

30106超大采高工作面正常來壓和架前切頂來壓特征參數見表3。 由圖3和表3可知，在正常來壓或未發生架前切頂的情況下，支架平均工作阻力分別為17 014 kN、18 199 kN；支架額定工作阻力18 000 kN左右，動載系數1.42和1.57，表明支架工作阻力富余量不足，動載強烈；在發生架前切頂時，支架壓力比正常來壓又提升了23.9%和15.8%，動載系數提升了24.6%和12.7%，實際載荷遠遠超出支架額定工作阻力，表明支架不能滿足架前切頂時的控頂要求。

表3 超大采高工作面來壓與切頂時支架壓力特征參數Table 3 Characteristic parameters of support pressure during pressure and roof cutting in super high working face

4 切頂壓架防治策略

根據郝家梁煤礦30106工作面架前反復切頂情況提出以下相應的防治策略。

1) 增加支架工作阻力，提升支架主動控頂效能。①支架額定工作阻力由18 000 kN提升至21 000 kN。根據國內現有制造水平可以達到此水平，但是更換設備需要巨大的投資，因此該方案實際執行較為困難。 ②提高乳化液泵站額定壓力，可由31.5 MPa提升至37.5 MPa或以上。通過提高泵站壓力促進初撐力的升高，進而可提高支架對頂板的主動支護能力，防止頂板過早離層和架前切頂，盡可能將切頂線落在支架后方采空區，從而降低來壓強度，以及動載沖擊。

2) 主動改變頂板破壞垮落形式，降低來壓步距和來壓強度，使“整體切頂”變為“分次局部破斷”“大破斷步距”變為“小破斷步距”。主要可采用兩種方式：①深孔水力壓裂弱化基巖層理，逐層垮落。采用深孔水力壓裂技術弱化基巖層層理，使基巖層的整體性受到人為破壞，由單一厚層分割為各個薄層，工作面推采過程中能夠及時逐層向上破斷，避免由于基巖層垮落不及時而造成上覆厚載荷層的長距離破斷，從而縮短來壓步距，降低來壓強度，使得頂板切落載荷控制在支架可承受范圍內。②深孔預裂爆破技術強制放頂，逐段垮落。采用深孔預裂爆破技術處理基巖層及若干載荷層，豎向形成裂紋或弱面，進行強制放頂。在垂向剖面上，炮孔作用使頂板分次垮落，不發生整體切落破斷造成沖擊動載；在水平方向上，炮孔作用縮小頂板破斷步距和破斷范圍，不發生大范圍劇烈來壓(圖4和圖5)。

圖4 水力壓裂鉆孔傾向剖面Fig.4 Hydraulic fracturing borehole dip profile

圖5 深孔預裂爆破鉆孔布置方案Fig.5 Drilling arrangement scheme of deep hole presplitting blasting

3) 工作面管理措施。①工作面保持較快、均衡的速度推進，合理的推進速度應不低于8 m/d。工作面發生切頂后，破斷頂板形成暫時的穩定結構，根據現場日推進速度與工作面礦壓顯現特征分析，當推進速度不超過8 m/d時，頂板來壓時局部支架下沉量大；超過8 m/d后，頂板來壓時支架下沉量減小。由此可見，工作面推進速度較慢時，頂板破斷結構易失穩，易引發頂板異常下沉。②透明地質。采前掌握工作面地質情況，在地質條件發生變化區域，如基巖變薄、地表溝谷、隱伏斷層、富含水區等，制定專門的安全推采方案；開采過程中，如遇到頂板巖層、巖性發生變化時，地測科進行現場及時確認、評估，制定不影響生產的可行辦法。③加強日常管理。損壞的安全閥及時更換，并合理利用平衡油缸，避免支架“栽頭”；保證支架初撐力，避免或減弱頂板離層，當工作面連續超過3個支架初撐力不足，或壓力集中區域有1個支架初撐力不合格時，要及時進行考核；工作面來壓時，必須保證工作面支架初撐力不低于25 MPa，并增加二次補壓人員。

5 防治實踐

針對30106工作面切頂事故提出的防治措施，對30107工作面也進行了實施，具體方案為：①采前地質異常區和見方危險區域劃分；②嚴格落實工作面初撐力及架形管理，帶壓擦頂移架等；③工作面礦壓監測預警；④在30107工作面切眼處施工深孔爆破放頂眼。

采取以上防治措施后，30107工作面初次來壓步距控制在22.4 m，支架壓力如圖6所示，由圖6可知，后5次周期來壓步距分別為26.7 m、15.9 m、11.0 m、7.2 m、11.8 m，來壓強度較小，未發生切頂事故。第一次切頂發生在推進至281.0 m處，頂板斷裂，但應用礦壓監測系統進行了及時預警并采取了加強工作面支護管理措施，切頂幅度較小，沒有造成壓架事故。

圖6 30107工作面初次來壓期間支架壓力Fig.6 Support pressure during first weighting in 30107 working face

6 結 論

1) 郝家梁煤礦30106工作面頻繁切頂的特征為范圍大、強度高、速度快、見方切頂，由地表至井下整體切落特征明顯。

2) 分析切頂原因為基巖薄、松散層厚，無法形成穩定的承載結構進而造成整體切頂；基巖變厚后，步距變大，強度增大，易造成大幅度支架下縮；支架的支護強度不足。

3) 具體防護措施為更換乳化液泵，提高支架初撐力；對基巖進行處理，逐層、逐段垮落，減小其來壓步距，弱化來壓強度。通過30107工作面實際實施結果可得，采取多項措施后，30107工作面來壓步距有減小趨勢，并且來壓強度明顯小于30106工作面，措施效果較明顯。