煤礦回采工作面破碎頂板控制

許光輝

摘要：煤礦安全問題是整個煤礦運行的最重大問題，頂板的控制一直對于煤礦安全問題的影響尤為重要，本人結(jié)合自己工作實際情況，對煤礦回采頂板控制理論的不斷學(xué)習(xí)，提出自己的見解。本文將重點對煤礦回采工作面破碎頂板控制技術(shù)進行分析，分析多方面的影響因素，從而給出具體的控制措施，保證生產(chǎn)的安全高效進行。

關(guān)鍵詞：煤礦；回采工作面；破碎頂板；控制技術(shù)

煤炭行業(yè)對于我國經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的作用，但通過對近年來煤礦工作面頂板情況和支護措施的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這一環(huán)節(jié)存在較大的安全隱患。我國煤炭開采過程中，主要依靠目前國內(nèi)外研究得出的相應(yīng)結(jié)論，隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)經(jīng)驗的不斷增加，對于破碎頂板的控制技術(shù)將會更加容易。

0 工作面概況

該工作面走向長度464--480米。綜采可采長度453米，工作面長度140米，煤厚2.3～3.2米， 均厚2.51米， 煤層傾角1°-4°。頂板風(fēng)化且破碎。

1 工作面破碎頂板控制技術(shù)分析

1.1 破碎頂板冒頂

一般在斷層帶、褶皺、節(jié)理位置容易產(chǎn)生破碎頂板，頂板強度受到強大的地質(zhì)營力的作用彎折而大幅度下降，加上煤炭開采完成之后形成的空洞極其容易發(fā)生斷裂，大多形成碎塊狀的頂板。其一般規(guī)律總結(jié)如下：

（1）地質(zhì)環(huán)境處于不斷變化的過程中，巖層長期受到地質(zhì)應(yīng)力的作用，主要的應(yīng)力類型有拉力、壓力和剪切力，導(dǎo)致斷裂面產(chǎn)生大量裂隙，出現(xiàn)破碎巖層，中間的空隙部分大多數(shù)由粉狀或者泥狀物質(zhì)填充，不同層析之間缺乏粘結(jié)力，采取頂板保護措施時難度較大。

（2）由于地殼運動作用導(dǎo)致了巖層的水平方向沒有力的作用，因此褶曲內(nèi)殘存的應(yīng)力在煤炭開采時會突然釋放，發(fā)生巖層應(yīng)力場的突變，背斜和向斜內(nèi)積存的大量彈性能導(dǎo)致局部冒頂現(xiàn)象。

（3）在原本狀態(tài)上部和周圍的荷載共同作用到頂板巖層和煤層上，當煤層被開采之后，所有的應(yīng)力作用將會單獨施加于上部頂板，導(dǎo)致頂板巖層受到的應(yīng)力增大，產(chǎn)生部分節(jié)理和裂隙，形成較為破碎的結(jié)構(gòu)，各部分之間無法連接形成相互獨立的個體，如果下部沒有足夠的支撐物質(zhì)補充，將會形成局部冒頂，甚至在掉落時出現(xiàn)水平方向力的作用將支架推動、傾倒形成大范圍冒頂。

1.2 冒頂產(chǎn)生原因分析

大型綜合機械化的開采模式對破碎頂板端面冒頂處理工作的開展效果直接影響礦井的安全系數(shù)和生產(chǎn)效率，通過對大量煤礦開采工程條件和生產(chǎn)條件的分析，總結(jié)出影響端面冒頂?shù)闹饕蛩赜校旱谝?，地質(zhì)因素。地層多年的沉積和地質(zhì)應(yīng)力的作用已經(jīng)形成固定的巖層強度、裂隙類型、斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，并且無法通過后期措施影響實現(xiàn)阻止，該原因為頂板穩(wěn)定性問題的決定性因素。斷層落差幅度大，產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙越發(fā)達，巖層強度相對弱，發(fā)生冒頂?shù)目赡苄栽礁?。第二，工作面推進速度。工作面的推進速度是一項重要的影響冒落程度的因素，當工作面的推進速度較大時，其相應(yīng)的支護體系必須加快速度跟進支撐，這時支架對于工作面的反復(fù)作用效果將會降低，因此支架對于上部頂板巖層的破壞作用也相對下降，因此煤層與周圍巖層的變形量較少，減少了工作面冒頂?shù)陌l(fā)生概率。第三，支架初撐力及支護強度。頂板冒落程度與支架支護強度大致呈雙曲線關(guān)系，一般情況，端面出現(xiàn)事故的變化范圍為工作阻力在250至300，不到此范圍內(nèi)，端面冒頂情況急劇增加，超出此范圍，基本不會影響端面冒頂，因此支架工作阻力同樣為冒頂事故形成的重要因素。第四，人為因素。人為因素的影響也是發(fā)生工作面冒頂?shù)闹匾矫?，操作人員沒有認識到問題的嚴重性，不按規(guī)定方法操作，技術(shù)等級不過關(guān)甚至設(shè)計人員的水平過低等都會造成工作面冒頂，因此控制人員的管理工作對于煤礦生產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

2 破碎頂板處理措施

在回采工作面的管理工作中，破碎頂板工作面是工作的重中之重，是決定一切生產(chǎn)的核心內(nèi)容。采用科學(xué)合理的處理操作是確保相應(yīng)工程安全高效開展的重要內(nèi)容。

為了將破碎容易冒落的頂板處理穩(wěn)妥，首先需要將頂板暴露的短時間內(nèi)采取措施，減少破碎巖石的暴露面積，對盡可能少面積的位置進行處理，防止其逐步向外擴散，發(fā)生大范圍冒頂事故。為了防止破碎頂板出現(xiàn)問題，必須保證在破碎頂板出現(xiàn)問題之前將其有效的控制住，目前在生產(chǎn)過程中主要采取的措施有以下幾個方面：

第一，詳細開展地質(zhì)勘查工作，在工作面開采前必須對地質(zhì)勘探說明書進行詳細分析，全面了解該位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化情況、斷層節(jié)理的發(fā)育情況、褶曲的類型以及水文地質(zhì)條件等，從而能夠根據(jù)實際工程條件制定詳細的處理措施。

第二，保證及時支護和超前支護工作，采煤機在完成一次割煤操作后應(yīng)先移動支架再轉(zhuǎn)移輸送機，條件允許時可以利用超前采煤機轉(zhuǎn)移支架，使得支架頂梁能夠有效的煤壁相接觸，避免頂板暴露。

第三，破碎頂板在頂梁上部時本身已經(jīng)呈現(xiàn)出破碎的狀態(tài)，并且厚度不均勻，在移動支架時浮矸會在支架中間掉落，對于端面產(chǎn)生比較大的隱患。對工作面而言必須盡可能縮減梁端距，梁端距越短，支護效果越佳，而且能夠配合臨時支護保證支護質(zhì)量。

第四，對于頂板不穩(wěn)定的煤層，在支架選擇最好使用具有伸縮功能，同時配備護幫板的支架，采煤機經(jīng)過該位置后，即刻向前移動支架，將伸縮梁和護幫板打開，對頂板煤層進行保護，打開伸縮梁，從而最大限度的保證端面距最小。

第五，輔助金屬網(wǎng)，在支架結(jié)構(gòu)的頂面鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)能夠有效的控制散落的頂板巖層，金屬網(wǎng)的作用在于能夠?qū)⑵扑榈袈涞膸r層重新產(chǎn)生相互之間力的作用從而呈現(xiàn)出一個整體化，提升頂板巖層的強度。

第六，架設(shè)走向梁，在完成割煤工作后可以在煤壁上部開挖一個放置走向梁的梁窩，使支護結(jié)構(gòu)能夠通過梁窩來實現(xiàn)支撐，保護上部頂板，但如果煤壁存在片幫的可能不宜采用該方法，可以在靠近煤壁的位置設(shè)置臨時貼幫柱。

第七，帶壓擦頂移架，在移動支架時應(yīng)該盡可能保證支柱具有一定的工作阻力，與頂板有接觸條件下摩擦移動支架，采用該方法移動直接能夠在一定程度上減少移架帶來的上部巖層的破壞。

3 桁架錨索梁的應(yīng)用對破碎頂板的支護

地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育，壓力大，巷道變形嚴重。直接頂板為大青巖，局部風(fēng)化為黃泥，樹脂藥卷無法穿過，錨索線無法施工；南北近沖積層掘進，頂板不同程度風(fēng)化，錨固力有所降低。針對如此復(fù)雜的頂板情況，如何保證巷道頂板安全，成為頂板管理的重點、難點。

工作面頂板大青灰?guī)r風(fēng)化后我們采取了工字鋼支護方式、化學(xué)漿對錨索眼注漿、頂板預(yù)注粘土水泥漿等幾種支護方式的嘗試后，巷道支護的問題沒有得到很好的解決，為了改變這種情況，翻閱相應(yīng)資料及文獻后，嘗試將錨索梁該為垂巷布置，將錨索錨入煤里，并重新對錨索梁支護理論進行驗算，通過計算，安全系數(shù)達到支護需要。

具體支護方式為：錨索梁排距1.5m，錨索梁兩端錨索線由原來7.0m線改為4.8m， 槽鋼改為3.0m12#槽鋼，孔間距2.5m，兩幫錨索線分別向兩幫偏20°，在托盤與錨索球之間加錨索線角度調(diào)整器。并在兩道錨索梁之間補打一個點錨索，托盤使用400×400mm，厚度10mm鐵板，點錨索線使用φ17.8-4500mm鋼絞線。

這樣以來錨索線錨入巷道以外1m的煤層中，通過漲拉，漲拉強度也可以達到30Mpa。同時加強對巷道內(nèi)的礦壓觀測工作，每隔3m加信號點柱，在巷道內(nèi)每隔20m，打一個頂板離層儀；并在巷道內(nèi)設(shè)礦壓觀測站。通過掘進期間對支護參數(shù)的優(yōu)化，錨索梁布置方式改為垂巷布置，避免了繁重的工字鋼支護方式，減小了工人的勞動強度，安全性也得到了提高。桁架錨索的推廣應(yīng)用，保證了工作面的正常接替，大大降低工人們的勞動強度。為我礦今后的強風(fēng)化灰?guī)r覆蓋厚煤層沿底托頂煤巷道錨網(wǎng)支護技術(shù)和近沖積層技護技術(shù)的研究方面提供一定的依據(jù)，具有良好的推廣應(yīng)用前景，有利于進一步推動快速高效綜合機械化開掘技術(shù)的發(fā)展。

4 支架選型與頂板管理

4.1 支架選型

根據(jù)夾石下煤厚2.55-3.0米，以及已采的工作面的頂板活動規(guī)律，本工作面選用ZZS5600/14/28支撐掩護式支架維護采場，用自然垮落法結(jié)合人工強制放頂處理采空區(qū)頂板。

本工作面長度140米，支架中心距1.5米，根據(jù)三機配套及順槽寬度，工作面安裝96架ZZS5600/14/28支撐掩護式支架其中頭各一架ZZS6000-17/37型支撐掩護式支架。工作面最大控頂距5.72米，最小控頂距5.09米，最小端面距340毫米，最大端面距970毫米。

4.2液壓支架工作阻力校核

頂板壓力估算：單架支架承受的載荷P為

（1）參照本礦相鄰煤層工作面礦壓觀測資料可推斷本工作面直接頂初次垮落步距為17米，老頂初次來壓步距為46米。

（2）合理支護強度計算

P=G×h×γ×k

=9.81×2.51×2.5×6

=370千牛/米2

式中：h-采高2.51米

γ-巖石容重，取2.5t/m3；

k-工作面支架應(yīng)該支護的上覆巖層厚度與采高之比，一般為1-8，取6。

（3）實際支撐能力計算

Rt=kg×kz×kb×kh×ka×R

=0.99×0.95×0.9×0.9×1.0×5600

=4266KN

式中：Rt-液壓支架實際支撐能力，KN；

kg-工作系數(shù)，取0.99；

kz-增阻系數(shù)，取0.95；

kb-不均勻系數(shù)，取0.9；

kh -采高系數(shù)，取0.9；

ka-傾角系數(shù)，取1；

R-液壓支架額定工作阻力5600KN。

（4）支架單位面積支護強度

S大=a×b

=5.72×1.5

=8.58m2

式中：a-支架最大控頂，m；

b-支架最大寬度：取1.5m；

S大-支架最大控頂距時的支護面積，m2。

支架單位面積的支護強度P

P=Rt/S大=4266/8.58=497KN/m2

（5）支護強度比較

因工作面合理支護強度小于支架支護強度，所以支架選擇合理。

5 結(jié)束語

通過對煤礦破碎頂板的主要規(guī)律分析，探討出冒頂產(chǎn)生的主要原因，最后根據(jù)其產(chǎn)生的原因類型制定出相應(yīng)的解決措施和主要的控制要點，采用有效的回采工作面破碎頂板處理措施，能夠有效的保證煤礦生產(chǎn)安全進行，防止由于細小問題導(dǎo)致的大范圍冒頂事故的發(fā)生，降低頂板冒頂產(chǎn)生的損失，提升工作效率。

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