大采高工作面压架事故分析与对策<br/>——以晋华宫煤矿为例

大采高工作面压架事故分析与对策
——以晋华宫煤矿为例

2017-10-11吴生富马尚权

华北科技学院学报 2017年3期

关键词：老顶晋华顶板

吴生富，马尚权，赵星

(1.同煤集团朔州煤电有限公司，山西朔州 038300；2.华北科技学院，北京东燕郊 065201)

大采高工作面压架事故分析与对策
——以晋华宫煤矿为例

吴生富1，马尚权2，赵星2

(1.同煤集团朔州煤电有限公司，山西朔州 038300；2.华北科技学院，北京东燕郊 065201)

为了提高大采高工作面支架的有效性和安全性，根据晋华宫煤矿8218工作面的地质条件、生产工艺以及设备选型情况，介绍了8218工作面的压架事故发生过程及产生影响，并从工作面的地质条件、设备因素、生产技术角度分析了事故发生的原因，提出了大采高工作面预防压架事故的技术措施，为全面改善矿井生产环境、提高煤矿安全高效生产能力提供了技术保障。

大采高；顶板来压；液压支架；治理措施

Abstract: For improving effectiveness and security of hydraulic support in large mining height working face, according to the geological conditions, production process and equipment type selection of 8218 working face in Jinhuagong Coal Mine, the occurrence and influence of support crushing accidents in 8218 working face is introduced, the cause of the accident is analyzed from 3 views of geological conditions, equipment factor and production technology. Technical measures are put forward to prevent support crushing accidents in large mining height working face, these measures may provide technical guarantee for improving the mine production environment and coal mine safety and efficient production capacity.

Keywords:large mining height; roof weighting; hydraulic support; control measures

0 引言

综采工作面主要综采设备由液压支架、采煤机和刮板输送机组成，液压支架作为综合机械化采煤工作面的关键设备，一次性投资占综采设备总投资的70%以上[1]。液压支架必须适应开采煤层的地质条件，与工作面围岩形成良好的支架—围岩关系，为工人提供安全的作业空间[2-3]，所以液压支架是综采工作面能否实现高产高效的关键设备，而架型的合理选择则是综采工作面安全高效开采的关键技术问题[4-5]。

相关统计资料显示，我国有30%的煤矿为坚硬顶板煤层，并且分布在50%以上的矿区，而大同矿区则是我国典型的坚硬顶板矿区[5-6]。随着综合机械化采煤技术的发展，大约有40%的综采工作面属于来压强烈的坚硬顶板条件[7-8]。在坚硬顶板条件下，矿压显现比普通工作面更为剧烈。坚硬顶板在煤层回采后形成大面积顶板悬露而不垮落，其初次垮落步距一般大于40 m，因而对工作面的回采形成极大的威胁[9-10]。顶板的大面积垮落，甚至发生矿震。

大同矿区晋华宫煤矿8218工作面位于402盘区，工作面开采12#煤层，煤层平均厚度为5.0 m，工作面直接顶为粉细砂岩，厚度1.7 m；老顶为粉细砂岩，厚度为17.45 m；老底为中粗砂岩，厚度为2.8 m，属于典型的坚硬顶板大采高综采工作面。该工作面由于支架选型的不合理，在8218工作面回采过程中，发生了3次压架事故，共计影响生产21天，严重影响了工作面的安全生产。

开展坚硬顶板条件下大采高工作面支架的合理选型及坚硬顶板的控制技术研究，分析坚硬顶板条件下压架事故的原因[11-12]，掌握类似煤层赋存条件下的支架合理选型的方法，提出坚硬顶板控制技术，对于大采高综采工作面的安全高效生产具有较高的理论意义和实践价值[13]。

1 矿井基本情况

1.1 8218工作面简介

8218大采高综采工作面位于晋华宫煤矿南山井870水平，12#煤层402盘区的南部。工作面标高为：892～912 m，地面标高为1193.2～1242.1 m。工作面东部及南部为老窑区，西部为盘区回风巷，北部与402盘区集中皮带巷相隔，上部为7#、9#煤层采空区。工作面推进长度为1200 m，工作面长度为200 m，平均采高为4.5 m，可采储量1.2 Mt。工作面回采历时13个月，采出煤量1.2 Mt，最高月产0.14 Mt，平均9.2万t。工作面巷道布置图如图1所示。

图1 8218工作面巷道布置图

1.2 工作面地质条件

8218工作面煤层赋存稳定，地质结构简单，煤层厚度2.1～7.9 m，平均5.0 m；但煤层结构相对复杂，8218工作面存在1层夹石，夹石厚度为0.5 m。煤层倾角为2°～10°，平均8°。根据巷道掘进情况，煤层因受基底沉积不平和褶曲的影响，煤层局部变薄，工作面中东部煤层较厚，西部较薄。8218工作面局部存在0.5m厚的粉细砂岩伪顶，直接顶为粉细砂岩，厚度为1.7 m，老顶为17.45 m的粉砂岩。工作面直接底为中粗砂岩，厚度为2.8 m。

1.3 工作面生产技术条件

8218采用大采高综合机械化长壁采煤方法，采高3.6～4.8 m，采煤机落煤装煤，液压支架支护顶板。回采巷道形状为矩形，工作面回采巷道采用树脂锚杆、锚索支护顶板，锚杆直径18 mm，长1700 mm，锚杆间距900 mm，排距1000 mm，锚索长5000 mm，间距4000 mm，呈三花布置；护帮锚杆直径18 mm，长1700 mm，间距1500 mm，呈三花布置。其中进风巷采用5排锚杆，2排锚索；回风巷采用4排锚杆，2排锚索。工作面主要设备见表1。

表 1 8218工作面主要设备表

2 大采高工作面压架事故

2.1 压架事故经过

晋华宫8218大采高综采工作面在回采过程中，发生了数次工作压架事故，严重影响了工作面的安全高效开采。

(1) 第一次严重的压架事故

当8218工作面推进到63 m处，工作面发生周期来压。工作面20#～50#支架处顶板压力迅速增大，顶板急剧下沉，煤壁片帮最大深度达300 mm。大部分支架的安全阀开启，个别支架“低头”现象严重，其中工作面中部29#～41#、61#和62#及工作面尾部95#～102#支架前柱被压死。在随后的生产过程中，控顶区的工作面老顶沿煤壁断裂，导致了8218工作面的第一次压架事故。此次压架事故影响工作面生产共计4天。

(2) 第二次严重的压架事故

当8218工作面推进到93m处，工作面发生周期来压。20#～103#支架处的顶板压力较大，工作面顶板发生剧烈的响动和闷雷声，顶板下沉量也急剧增大，57#～64#支架处煤壁片帮约为2300 mm～3200 mm；在60#～64#支架处，工作面也发生了漏矸现象。大部分支架的安全阀开启，工作面中部45#～50#支架及尾部90#～102#支架被压死，80#～90#支架前后立柱的行程也只有400 mm～500 mm；支架立柱无法升降，导致支架行走困难。控顶区的工作面老顶沿煤壁断裂，导致了8218工作面的第二次压架事故。此次压架事故影响工作面生产共计5天。

(3) 第三次严重的压架事故

当8218工作面推进到135 m处，工作面发生周期来压。工作面煤壁发生片帮现象，35#～92#支架处工作面片帮深度为400 mm～2500 mm。在42#～50#支架处，工作面顶板冒落高度为1500 mm～2000 mm；在64#～74#支架处，工作面顶板冒落高度为1000 mm～1500 mm。大部分支架立柱行程较小或被压死，严重地段工作面机组都无法通过。支架“低头”现象严重。此次压架事故影响工作面生产共计12天。

2.2 压架事故原因分析

工作面液压支架的选取应遵循以下原则:

1) 功根据顶板岩性进行压力估算,确定支架的工作阻力；

2) 根据煤层顶底板岩性和支架工作阻力确定支架底板比压；

3) 根据煤层倾角选择支架的防倒防滑性能；

4) 根据煤层的起伏状况选择支架的抗水平性能。

大采高工作压架事故严重影响了晋华宫煤矿的安全高效生产，为了从根本上解决工作面的压架事故，针对8218工作面的压架事故，分析导致大采高工作面压架事故的原因如下：

(1) 地质条件

晋华宫12#煤层402盘区的部分区域因受基底沉积不平和褶曲的影响，导致工作面煤层变薄。液压支架的最大最小支撑高度不适应实际的地质条件，在一定程度上诱发了工作面压架事故的发生。在8218工作面生产过程中，煤层厚度变薄区域的老顶岩性发生变化，由原来的粗砂岩变为粗粒砂岩。当工作面老顶周期来压时，老顶突然断裂，必然会对工作面形成较大的冲击。工作面顶板压力较大时，工作面支架安全阀开启，甚至压死支架，从而导致压架事故的发生。

(2) 设备因素

工作面采高为5 m，γ按27 kN/m3计，则支护强度为：

q=(4-8)γh

由于顶板较坚硬，取大值，带入数据得q=1.08 MPa，在8218工作面使用的ZZ9900型液压支架属于陈旧设备，其支护强度为0.85～0.94 MPa，并不能满足工作面安全高效生产的需要，工作面支架选型不合理。ZZ9900型支架对于晋华宫煤矿12#煤层402盘区的地质条件适应性较差。另外，ZZ9900型液压支架为四柱单伸缩支架，支架可缩量较小，抗冲击能力较小，增加了工作面发生压架事故的可能性。

(3) 生产技术

8218工作面的日常机电检修管理工作没有根据工作面的具体情况进行，仍然按照全新设备的检修管理工作进行，导致工作面设备存在生产隐患，工作性能下降。在8218工作面和8212工作面上方，距离工作面30 m处的11#煤层工作面布置了一条瓦斯高抽巷。由于高抽巷的掘进破坏了上覆岩层的完整性，造成工作面顶板垮落厚度增加，工作面支架压力增大。当工作面发生周期来压时，上覆岩层对支架有较大的冲击，增加了工作面发生压架事故的可能性。

3 大采高工作面预防压架事故的措施

晋华宫煤矿12#煤层402盘区的直接顶为粉细砂岩，老顶为粉砂岩，普氏硬度系数f=4，工作面顶板属于坚硬顶板。因此应加强对顶板的控制，防止工作面顶板形成大面积的悬顶，减小工作面顶板来压强度，弱化工作面顶板来压对支架的冲击。

3.1 工程技术层面

(1) 避免形成大面积悬顶，控制工作面顶板周期来压步距。采取工作面运输巷和回风巷超前预爆破，结合工作面的浅空爆破的技术措施，人为控制工作面老顶的周期来压步距。工作面生产过程中，确保工作面的均衡生产。对于工作面的调斜开采，上端头合理的超前距离为15 m。

(2) 减弱工作面顶板来压强度。对于大采高综采工作面，要严格控制采高。在保证工作面煤炭资源回收率的前提条件下，通过控制工作面采高的措施，减弱大采高综采工作面顶板来压强度。

(3) 确保工作面围岩的稳定性。对于工作面存在伪顶区域和发生片帮现象的局部区域，采取超前打孔注粘结剂并配合补打锚索的技术措施。

3.2 支架管理层面

支架的支护效果是发生工作面压架事故的主要原因，应严格确保支架的支护效果。

(1) 在生产过程中，采用从下端头向上端头单向割煤的开采顺序，及时移架和带压移架等技术措施，保证工作面支架支架的支护效果。

(2) 为了保证工作面支架接顶效果良好，在工作面回采过程中，当煤层厚度增大时，严格按照留底煤、沿顶板推进的生产措施，及时清理工作面支架顶梁上的浮煤及浮矸，确保支架严格支撑顶板。

(3) 移架过程中应保证工作面支架的移架速度和移架质量。确保支架能够及时有效的支护顶板，减小对支架推移千斤顶和推移板的损坏。应确保支架之间不咬架、不挤架；当工作面倾角发生变化时，支架之间应平缓过度，不出现上下台阶。

3.3 生产管理层面

(1) 根据生产工作面液压支架的运行状况，采取工作面停产检修的措施。更换工作性能较差的液压支架立柱，改善工作面支架的受损情况，完善工作面液压系统，保证工作面液压支架的初撑力及工作阻力。

(2) 工作面生产过程中，加强工作面机电设备的日常检修工作，保证工作面液压支架的检修工作。对于初撑力不足的支架、四柱工作阻力不均衡的支架以及其他部件受损的支架，应找出原因并及时修复，保证工作面支架处于良好的工作状态。

(3) 在402盘区其他工作面的准备过程中，应选择合理工作面支架型号。提高工作面支架的初撑力，增加工作面支架的可缩量。

4 结论

分析了晋华宫煤矿8218大采高综采工作面压架事故原因，并有针对性的从三个层面提出了预防大采高综采工作面压架事故的技术措施。

8218工作面压架事故主要原因存在两点：1)12#煤层402盘区的老顶属于坚硬顶板，而且在工作面部分区域煤层厚度发生变化以及工作面支架选型不合理，是发生工作面压架事故的直接原因；2)工作面生产管理和日常设备检修不到位，不能保证工作面的开机率，是发生工作面压架事故的间接原因。

本文从工程技术层面、支架管理层面以及生产管理层面等三个方面，提出相应的技术措施。通过采用浅空爆破的技术措施，缩短来压周期和步距，减轻了来压强度；通过适当降低采高，减小了工作面液压支架工作阻力；通过采取超前打孔注粘结剂并配合补打锚索的技术措施，提高了采场围岩强度，改善了采场围岩的稳定性。通过支架管理和生产管理，确保液压支架的生产系统正常，确保工作阻力达到支护要求。通过这些措施，有效预防了大采高综采工作面压架事故的再次发生。

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