采煤工作面推垮型冒顶机理分析及预防措施

　　摘要：复合顶板管理难度大，尤其在初次放顶期间，经常发生大面积推垮型冒顶。为寻求解决这类煤层安全回采的有效办法，通过认真研究某矿“3•12” 4272B11b顶分层工作面冒顶事故发生机理，总结出复合顶板下采煤必须采取的安全技术措施，提出了针对性的防范措施。

　　关键词：煤矿开采 复合顶板 推垮型冒顶 预防措施

　　1　4272B11b顶分层工作面概况

　　矿井开采缓倾斜煤层，可采煤层13层，总厚度33m，其中顶板为复合顶板的可采煤层6层，总厚度17m，占矿井可采煤层总厚的52%。4272B11b顶分层工作面系该矿四水平、42采区、7阶段北翼B11b顶分层工作面，其回采上限标高为-573m，下限标为-633m，煤层平均厚度4•1m，倾角21°，工作面倾向长168m，走向长240m。工作面采高2.0m，初采期间采高1.8m，煤层直接顶为厚1.2m的深灰色细砂质泥岩，其上为厚0.8m的煤线，基本顶为厚2.0m的深灰色条带状细砂岩，其上为灰色中厚层状细砂岩。根据复合顶板的特征，本工作面为典型的复合顶板工作面。

　　2　采煤方法和顶板管理

　　工作面采用倾斜分层走向长壁采煤法，炮采落煤工艺。

　　支护方式为齐梁直线柱铰接走向棚支护顶板，支柱型号为DZ22-30/100型单体液压支柱，顶梁型号为HDJA-1000型金属铰接顶梁，柱距0.5m，排距1.0m。工作面采用三、四排控顶，即3~4m管理，放顶步距1.0m。初采期间特殊支架为单体液压支柱和金属铰接顶梁架设的一梁一柱顺山铰接挑棚。

　　采空区采用全部垮落法处理。

　　3　劳动组织及循环方式

　　劳动组织形式为单镐采煤，双人分段放顶回柱。工作面作业方式为“两采一准”，日进2个循环。

　　4　冒顶事故情况

　　事故发生时间为2004年3月12日下午，事故当班为检修班。事故发生时工作面上端距切眼11m，下端距切眼4m。冒顶范围为工作面下端头向上3~50m段，冒顶倾向长度47m，走向长度4m。采空区悬露的顶板(倾向长30m、走向长3m)也跟随冒落。

　　5　冒落机理分析

　　5.1　4272B11b顶分层工作面冒顶特点

　　5.1.1 冒顶前，采场顶板压力不大，支架没有压缩变形。

　　5.1.2 冒顶前无明显征兆，推垮发生时速度快，来势凶猛。

　　5.1.3 冒顶发生在开切眼附近。

　　5.1.4 冒顶发生在回柱放顶即将结束时。

　　5.1.5 复合顶板软岩层呈整体冒落。

　　5.1.6 冒顶后，基本顶大面积悬露。

　　5.1.7 冒顶后，单体支柱沿煤层倾斜方向倒下。

　　5.1.8 冒顶后，冒顶段以上4m工作面煤壁顶板出现断裂。

　　5.2　冒顶机理分析

　　冒顶事故发生在工作面回柱放顶即将结束时，回柱放顶前工作面支护为四排正规支架加一排顺山挑棚，这些支架中支柱的工作阻力勉强可以支撑住复合顶板中的软岩层；回柱放顶即将结束时，工作面仅有三排正规支架，支撑不住软岩层，加上软岩层因淋水等原因离层，从而导致软岩层断裂形成六面体。冒顶前工作面采空区下口向上近30m、走向长3m(悬顶面积90m2)范围顶板未冒，下顺槽破复合顶板下位软岩层施工以及工作面冒顶前下口曾发生小面积冒顶等状况，为六面体提供了去路；另外，六面体自重较大(约1.12×104kN)，向去路方向的倾角较大，最终导致六面体下移，推垮工作面。

　　5.2.1　复合顶板下位软岩层离层 工作面初设支柱初撑力均不小于50kN，但因底板为B11b煤层，较软；同时，顶板淋水使底板煤层软化，抗压强度降低，使原来初撑力不小于50kN的支柱工作阻力降至20kN以下。由于支柱的工作阻力小，支柱钻底量大，再加上顶板淋水，造成复合顶板下位软岩层下沉，而上位硬岩层因开切眼附近受两侧煤体支撑基本未下沉，从而导致复合顶板软、硬岩层离层。

　　5.2.2　下位软岩层内断裂出六面体 由于支柱工作阻力小于20kN，支撑不住复合顶板下位软岩层，使软岩在支柱低阻区下沉并产生断裂；靠采空区侧软岩层从开切眼处已经断裂，形成一个由单体支柱支撑的不稳定的不规则六面体。

　　5.2.3　六面体存在去路且有较大倾角 工作面下端冒顶前一天曾发生小面积冒顶；工作面采空区从下端头向上30m、走向长3m处范围顶板未冒落，形成大的六面体。由于下顺槽沿顶施工，破坏了复合顶板，为六面体提供了去路，再加上六面体沿去路方向倾角达21°，既有去路并且沿去路方向又有较大倾角的六面体，很容易冒落。

　　5.2.4　六面体下推力大于阻力 该六面体受到的下推力大约是4000kN，几乎全靠工作面下口软岩层顶板的阻力阻止其下推，而这一部分软岩层又受到破环，实际阻力很小，不能阻止其下移。

　　6　预防措施

　　6.1　增大并保持单体液压支柱的初撑力

　　单体支柱的初撑力小时，支撑不住复合顶板中的软岩层，便可导致软岩离层推垮工作面。为解决这个问题，必须提高单体支柱的初撑力P0，使初撑力不仅能支撑住复合顶板下位软岩层，而且使软岩层压紧硬岩层，其间的摩擦阻力足够阻止软岩层下滑，从而使支架自身也能稳定。P0可按下式计算:

　　P0≥γh0/n(cosα+1/fsinα) (1)

　　式中，P0为每根支柱初撑力，kN/根；n为支护密度，根/m2；γ为软岩层平均密度，kN/m3；h0为软岩层厚度，m；α为煤层倾角， (°)；f为软硬岩层间的滑动摩擦系数。

　　对4272B11b顶分层工作面来讲，n=2根/m2，γ=20•19kN/m3，h0=2.0m，α=21°，f=0.3。经过计算P0≥50kN时，能够满足防止复合顶板推垮工作面的要求。

　　单体液压支柱的初撑力达到50kN以上是先决条件，关键是保证其工作阻力也在50kN以上，这样，就必须采取穿木鞋或铁鞋措施，减少支柱钻底量。另外，增大支护密度可增大支柱对顶板的支护强度，防止推垮型冒顶的发生。

　　6.2　提高支架稳定性

　　一是在工作面采空区侧铰接顶梁下，沿倾斜方向中中10m采用长方木装设“井”形木垛，这样会形成整体支架，增强了支架的稳定性，增加了工作面支撑顶板的能力；二是使用拉钩式连接器把每排支柱从工作面上口至下口都连接起来，这样整个工作面形成了一个可以阻止六面体下推的整体支架。三是工作面采用下伪倾3~5°方向施工；四是控制采高，复合顶板下部软岩层垮落后超过采高，一方面可以堵住六面体的去路，另一方面可以增加六面体下推时的摩擦阻力，采高控制一般在1.8m以下；五是掘进顺槽及开切眼时不破坏复合顶板，这样可以保持复合顶板的完整性，不给六面体以去路；六是加强工作面顶板压力和状况观察，支柱支设时要从严要求，初撑力达不到50kN时要采取穿木鞋或铁鞋等措施增大初撑力，确保初撑力不小于50kN；观察顶板状况，发现顶板出现裂隙要及时采取装木垛、使用迎山抗棚等措施加强支护；七是强制放顶，工作面采空区顶板悬顶面积大于2×5m2时，要采取强制放顶措施，即在顶板内打眼、装药、放炮，强迫其冒落，以减少工作面悬顶面积，防止发生冒顶，六是工作面初采时不要反推，复合顶板下位软岩层在开切眼处已离层断裂，当在反推范围内初次放顶时，极容易在原开切眼处诱发推垮型冒顶。

　　7 结语

　　复合顶板下采煤是一个比较难的课题，但复合顶板推垮型冒顶事故也是可以预防的，关键在于措施得力，现场执行到位。