大采高工作面壓架事故分析與對策
——以晉華宮煤礦為例

吳生富，馬尚權(quán)，趙 星

(1.同煤集團朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300；2.華北科技學院，北京 東燕郊 065201)

大采高工作面壓架事故分析與對策
——以晉華宮煤礦為例

吳生富1，馬尚權(quán)2，趙 星2

(1.同煤集團朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300；2.華北科技學院，北京 東燕郊 065201)

為了提高大采高工作面支架的有效性和安全性，根據(jù)晉華宮煤礦8218工作面的地質(zhì)條件、生產(chǎn)工藝以及設(shè)備選型情況，介紹了8218工作面的壓架事故發(fā)生過程及產(chǎn)生影響，并從工作面的地質(zhì)條件、設(shè)備因素、生產(chǎn)技術(shù)角度分析了事故發(fā)生的原因，提出了大采高工作面預(yù)防壓架事故的技術(shù)措施，為全面改善礦井生產(chǎn)環(huán)境、提高煤礦安全高效生產(chǎn)能力提供了技術(shù)保障。

大采高；頂板來壓；液壓支架；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

綜采工作面主要綜采設(shè)備由液壓支架、采煤機和刮板輸送機組成，液壓支架作為綜合機械化采煤工作面的關(guān)鍵設(shè)備，一次性投資占綜采設(shè)備總投資的70%以上[1]。液壓支架必須適應(yīng)開采煤層的地質(zhì)條件，與工作面圍巖形成良好的支架—圍巖關(guān)系，為工人提供安全的作業(yè)空間[2-3]，所以液壓支架是綜采工作面能否實現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵設(shè)備，而架型的合理選擇則是綜采工作面安全高效開采的關(guān)鍵技術(shù)問題[4-5]。

相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，我國有30%的煤礦為堅硬頂板煤層，并且分布在50%以上的礦區(qū)，而大同礦區(qū)則是我國典型的堅硬頂板礦區(qū)[5-6]。隨著綜合機械化采煤技術(shù)的發(fā)展，大約有40%的綜采工作面屬于來壓強烈的堅硬頂板條件[7-8]。在堅硬頂板條件下，礦壓顯現(xiàn)比普通工作面更為劇烈。堅硬頂板在煤層回采后形成大面積頂板懸露而不垮落，其初次垮落步距一般大于40 m，因而對工作面的回采形成極大的威脅[9-10]。頂板的大面積垮落，甚至發(fā)生礦震。

大同礦區(qū)晉華宮煤礦8218工作面位于402盤區(qū)，工作面開采12#煤層，煤層平均厚度為5.0 m，工作面直接頂為粉細砂巖，厚度1.7 m；老頂為粉細砂巖，厚度為17.45 m；老底為中粗砂巖，厚度為2.8 m，屬于典型的堅硬頂板大采高綜采工作面。該工作面由于支架選型的不合理，在8218工作面回采過程中，發(fā)生了3次壓架事故，共計影響生產(chǎn)21天，嚴重影響了工作面的安全生產(chǎn)。

開展堅硬頂板條件下大采高工作面支架的合理選型及堅硬頂板的控制技術(shù)研究，分析堅硬頂板條件下壓架事故的原因[11-12]，掌握類似煤層賦存條件下的支架合理選型的方法，提出堅硬頂板控制技術(shù)，對于大采高綜采工作面的安全高效生產(chǎn)具有較高的理論意義和實踐價值[13]。

1 礦井基本情況

1.1 8218工作面簡介

8218大采高綜采工作面位于晉華宮煤礦南山井870水平，12#煤層402盤區(qū)的南部。工作面標高為：892～912 m，地面標高為1193.2～1242.1 m。工作面東部及南部為老窯區(qū)，西部為盤區(qū)回風巷，北部與402盤區(qū)集中皮帶巷相隔，上部為7#、9#煤層采空區(qū)。工作面推進長度為1200 m，工作面長度為200 m，平均采高為4.5 m，可采儲量1.2 Mt。工作面回采歷時13個月，采出煤量1.2 Mt，最高月產(chǎn)0.14 Mt，平均9.2萬t。工作面巷道布置圖如圖1所示。

圖1 8218工作面巷道布置圖

1.2 工作面地質(zhì)條件

8218工作面煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，煤層厚度2.1～7.9 m，平均5.0 m；但煤層結(jié)構(gòu)相對復雜，8218工作面存在1層夾石，夾石厚度為0.5 m。煤層傾角為2°～10°，平均8°。根據(jù)巷道掘進情況，煤層因受基底沉積不平和褶曲的影響，煤層局部變薄，工作面中東部煤層較厚，西部較薄。8218工作面局部存在0.5m厚的粉細砂巖偽頂，直接頂為粉細砂巖，厚度為1.7 m，老頂為17.45 m的粉砂巖。工作面直接底為中粗砂巖，厚度為2.8 m。

1.3 工作面生產(chǎn)技術(shù)條件

8218采用大采高綜合機械化長壁采煤方法，采高3.6～4.8 m，采煤機落煤裝煤，液壓支架支護頂板?；夭上锏佬螤顬榫匦?，工作面回采巷道采用樹脂錨桿、錨索支護頂板，錨桿直徑18 mm，長1700 mm，錨桿間距900 mm，排距1000 mm，錨索長5000 mm，間距4000 mm，呈三花布置；護幫錨桿直徑18 mm，長1700 mm，間距1500 mm，呈三花布置。其中進風巷采用5排錨桿，2排錨索；回風巷采用4排錨桿，2排錨索。工作面主要設(shè)備見表1。

表 1 8218工作面主要設(shè)備表

2 大采高工作面壓架事故

2.1 壓架事故經(jīng)過

晉華宮8218大采高綜采工作面在回采過程中，發(fā)生了數(shù)次工作壓架事故，嚴重影響了工作面的安全高效開采。

(1) 第一次嚴重的壓架事故

當8218工作面推進到63 m處，工作面發(fā)生周期來壓。工作面20#～50#支架處頂板壓力迅速增大，頂板急劇下沉，煤壁片幫最大深度達300 mm。大部分支架的安全閥開啟，個別支架“低頭”現(xiàn)象嚴重，其中工作面中部29#～41#、61#和62#及工作面尾部95#～102#支架前柱被壓死。在隨后的生產(chǎn)過程中，控頂區(qū)的工作面老頂沿煤壁斷裂，導致了8218工作面的第一次壓架事故。此次壓架事故影響工作面生產(chǎn)共計4天。

(2) 第二次嚴重的壓架事故

當8218工作面推進到93m處，工作面發(fā)生周期來壓。20#～103#支架處的頂板壓力較大，工作面頂板發(fā)生劇烈的響動和悶雷聲，頂板下沉量也急劇增大，57#～64#支架處煤壁片幫約為2300 mm～3200 mm；在60#～64#支架處，工作面也發(fā)生了漏矸現(xiàn)象。大部分支架的安全閥開啟，工作面中部45#～50#支架及尾部90#～102#支架被壓死，80#～90#支架前后立柱的行程也只有400 mm～500 mm；支架立柱無法升降，導致支架行走困難?？仨攨^(qū)的工作面老頂沿煤壁斷裂，導致了8218工作面的第二次壓架事故。此次壓架事故影響工作面生產(chǎn)共計5天。

(3) 第三次嚴重的壓架事故

當8218工作面推進到135 m處，工作面發(fā)生周期來壓。工作面煤壁發(fā)生片幫現(xiàn)象，35#～92#支架處工作面片幫深度為400 mm～2500 mm。在42#～50#支架處，工作面頂板冒落高度為1500 mm～2000 mm；在64#～74#支架處，工作面頂板冒落高度為1000 mm～1500 mm。大部分支架立柱行程較小或被壓死，嚴重地段工作面機組都無法通過。支架“低頭”現(xiàn)象嚴重。此次壓架事故影響工作面生產(chǎn)共計12天。

2.2 壓架事故原因分析

工作面液壓支架的選取應(yīng)遵循以下原則:

1) 功根據(jù)頂板巖性進行壓力估算,確定支架的工作阻力；

2) 根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性和支架工作阻力確定支架底板比壓；

3) 根據(jù)煤層傾角選擇支架的防倒防滑性能；

4) 根據(jù)煤層的起伏狀況選擇支架的抗水平性能。

大采高工作壓架事故嚴重影響了晉華宮煤礦的安全高效生產(chǎn)，為了從根本上解決工作面的壓架事故，針對8218工作面的壓架事故，分析導致大采高工作面壓架事故的原因如下：

(1) 地質(zhì)條件

晉華宮12#煤層402盤區(qū)的部分區(qū)域因受基底沉積不平和褶曲的影響，導致工作面煤層變薄。液壓支架的最大最小支撐高度不適應(yīng)實際的地質(zhì)條件，在一定程度上誘發(fā)了工作面壓架事故的發(fā)生。在8218工作面生產(chǎn)過程中，煤層厚度變薄區(qū)域的老頂巖性發(fā)生變化，由原來的粗砂巖變?yōu)榇至Ｉ皫r。當工作面老頂周期來壓時，老頂突然斷裂，必然會對工作面形成較大的沖擊。工作面頂板壓力較大時，工作面支架安全閥開啟，甚至壓死支架，從而導致壓架事故的發(fā)生。

(2) 設(shè)備因素

工作面采高為5 m，γ按27 kN/m3計，則支護強度為：

q=(4-8)γh

由于頂板較堅硬，取大值，帶入數(shù)據(jù)得q=1.08 MPa，在8218工作面使用的ZZ9900型液壓支架屬于陳舊設(shè)備，其支護強度為0.85～0.94 MPa，并不能滿足工作面安全高效生產(chǎn)的需要，工作面支架選型不合理。ZZ9900型支架對于晉華宮煤礦12#煤層402盤區(qū)的地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。另外，ZZ9900型液壓支架為四柱單伸縮支架，支架可縮量較小，抗沖擊能力較小，增加了工作面發(fā)生壓架事故的可能性。

(3) 生產(chǎn)技術(shù)

8218工作面的日常機電檢修管理工作沒有根據(jù)工作面的具體情況進行，仍然按照全新設(shè)備的檢修管理工作進行，導致工作面設(shè)備存在生產(chǎn)隱患，工作性能下降。在8218工作面和8212工作面上方，距離工作面30 m處的11#煤層工作面布置了一條瓦斯高抽巷。由于高抽巷的掘進破壞了上覆巖層的完整性，造成工作面頂板垮落厚度增加，工作面支架壓力增大。當工作面發(fā)生周期來壓時，上覆巖層對支架有較大的沖擊，增加了工作面發(fā)生壓架事故的可能性。

3 大采高工作面預(yù)防壓架事故的措施

晉華宮煤礦12#煤層402盤區(qū)的直接頂為粉細砂巖，老頂為粉砂巖，普氏硬度系數(shù)f=4，工作面頂板屬于堅硬頂板。因此應(yīng)加強對頂板的控制，防止工作面頂板形成大面積的懸頂，減小工作面頂板來壓強度，弱化工作面頂板來壓對支架的沖擊。

3.1 工程技術(shù)層面

(1) 避免形成大面積懸頂，控制工作面頂板周期來壓步距。采取工作面運輸巷和回風巷超前預(yù)爆破，結(jié)合工作面的淺空爆破的技術(shù)措施，人為控制工作面老頂?shù)闹芷趤韷翰骄?。工作面生產(chǎn)過程中，確保工作面的均衡生產(chǎn)。對于工作面的調(diào)斜開采，上端頭合理的超前距離為15 m。

(2) 減弱工作面頂板來壓強度。對于大采高綜采工作面，要嚴格控制采高。在保證工作面煤炭資源回收率的前提條件下，通過控制工作面采高的措施，減弱大采高綜采工作面頂板來壓強度。

(3) 確保工作面圍巖的穩(wěn)定性。對于工作面存在偽頂區(qū)域和發(fā)生片幫現(xiàn)象的局部區(qū)域，采取超前打孔注粘結(jié)劑并配合補打錨索的技術(shù)措施。

3.2 支架管理層面

支架的支護效果是發(fā)生工作面壓架事故的主要原因，應(yīng)嚴格確保支架的支護效果。

(1) 在生產(chǎn)過程中，采用從下端頭向上端頭單向割煤的開采順序，及時移架和帶壓移架等技術(shù)措施，保證工作面支架支架的支護效果。

(2) 為了保證工作面支架接頂效果良好，在工作面回采過程中，當煤層厚度增大時，嚴格按照留底煤、沿頂板推進的生產(chǎn)措施，及時清理工作面支架頂梁上的浮煤及浮矸，確保支架嚴格支撐頂板。

(3) 移架過程中應(yīng)保證工作面支架的移架速度和移架質(zhì)量。確保支架能夠及時有效的支護頂板，減小對支架推移千斤頂和推移板的損壞。應(yīng)確保支架之間不咬架、不擠架；當工作面傾角發(fā)生變化時，支架之間應(yīng)平緩過度，不出現(xiàn)上下臺階。

3.3 生產(chǎn)管理層面

(1) 根據(jù)生產(chǎn)工作面液壓支架的運行狀況，采取工作面停產(chǎn)檢修的措施。更換工作性能較差的液壓支架立柱，改善工作面支架的受損情況，完善工作面液壓系統(tǒng)，保證工作面液壓支架的初撐力及工作阻力。

(2) 工作面生產(chǎn)過程中，加強工作面機電設(shè)備的日常檢修工作，保證工作面液壓支架的檢修工作。對于初撐力不足的支架、四柱工作阻力不均衡的支架以及其他部件受損的支架，應(yīng)找出原因并及時修復，保證工作面支架處于良好的工作狀態(tài)。

(3) 在402盤區(qū)其他工作面的準備過程中，應(yīng)選擇合理工作面支架型號。提高工作面支架的初撐力，增加工作面支架的可縮量。

4 結(jié)論

分析了晉華宮煤礦8218大采高綜采工作面壓架事故原因，并有針對性的從三個層面提出了預(yù)防大采高綜采工作面壓架事故的技術(shù)措施。

8218工作面壓架事故主要原因存在兩點：1)12#煤層402盤區(qū)的老頂屬于堅硬頂板，而且在工作面部分區(qū)域煤層厚度發(fā)生變化以及工作面支架選型不合理，是發(fā)生工作面壓架事故的直接原因；2)工作面生產(chǎn)管理和日常設(shè)備檢修不到位，不能保證工作面的開機率，是發(fā)生工作面壓架事故的間接原因。

本文從工程技術(shù)層面、支架管理層面以及生產(chǎn)管理層面等三個方面，提出相應(yīng)的技術(shù)措施。通過采用淺空爆破的技術(shù)措施，縮短來壓周期和步距，減輕了來壓強度；通過適當降低采高，減小了工作面液壓支架工作阻力；通過采取超前打孔注粘結(jié)劑并配合補打錨索的技術(shù)措施，提高了采場圍巖強度，改善了采場圍巖的穩(wěn)定性。通過支架管理和生產(chǎn)管理，確保液壓支架的生產(chǎn)系統(tǒng)正常，確保工作阻力達到支護要求。通過這些措施，有效預(yù)防了大采高綜采工作面壓架事故的再次發(fā)生。

[1] 梁利闖,田嘉勁,鄭輝,等. 沖擊載荷作用下液壓支架的力傳遞分析[J]. 煤炭學報,2015(11):2522-2527.

[2] ?；塾? 淺析綜采工作面液壓支架運動規(guī)律[J]. 技術(shù)與市場,2015(7):178-180.

[3] 丁飛,王謙. 液壓支架結(jié)構(gòu)疲勞動態(tài)可靠性評估方法[J]. 中國安全科學學報,2015(6):86-90.

[4] 王國法,龐義輝. 液壓支架與圍巖耦合關(guān)系及應(yīng)用[J]. 煤炭學報,2015(1):30-34.

[5] 付超,許偉. 淺析液壓支架初撐力不足相關(guān)問題[J]. 科技與企業(yè),2014(17):194.

[6] 王國法. 工作面支護與液壓支架技術(shù)理論體系[J]. 煤炭學報, 2014(8):1593-1601.

[7] 張集錦. 液壓支架及其配套件安標檢測檢驗現(xiàn)狀及分析[J]. 煤礦機械,2013(8):8-10.

[8] 張國棟,尹福. 綜采工作面液壓支架安全回撤工藝研究[J]. 煤炭科學技術(shù),2012(8):14-17.

[9] 何富連,韓紅強,李擎,等. 綜采面液壓支架故障診斷機理及檢測技術(shù)研究[J]. 礦業(yè)工程研究,2010(1):49-53.

[10] 王忠賓,趙啦啦,李舒斌,等. 支撐掩護式液壓支架的優(yōu)化設(shè)計[J]. 重慶大學學報,2009(9):1037-1042.

[11] 余本勝,王志鵬,馬建宏,等. 復雜地質(zhì)條件下綜采液壓支架適應(yīng)性研究[J]. 采礦與安全工程學報,2009(1):101-104.

[12] 朱建安,劉旭,郭培紅,等. 大采高液壓支架整架搬運試驗跑車事故分析[J]. 礦山機械,2014(12):139-142.

[13] 毛祎琳,劉澤功. 煤礦液壓支架常見故障事故樹分析與應(yīng)用[J]. 煤炭科學技術(shù),2009(10):65-67.

AnalysisandCountermeasuresofCrushingAccidentsinLargeMiningHeightWorkingFace——aCaseStudyofJinhuagongCoalMine

WU Sheng-fu1, MA Shang-quan2, ZHAO Xing2

(1.ShuozhouCoalPowerCo.Ltd.,Shuozhou, 038300,China;2.North.ChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing, 065201,China)

TD323

A

1672-7169(2017)03-0049-05

2017-05-13

吳生富(1966-)，男，山西大同人，碩士，同煤集團朔州煤電公司生產(chǎn)副總經(jīng)理，研究方向：煤礦安全生產(chǎn)。E-mail:wsfgzyx@163.com