工作面老頂初次垮落機(jī)理的探討

摘要：文章對閘河煤田具有特殊性的5煤層頂初次垮落機(jī)理進(jìn)行了分析、探討并制定了頂板管理的對策措施。

關(guān)鍵詞：老頂垮落；機(jī)理；探討與對策

1問題的提出

5煤層是淮北礦區(qū)閘河煤田中南部礦井的主采煤層之一，據(jù)技術(shù)資料統(tǒng)計(jì)，5對礦井已回采了130余個5煤層工作面，其老頂初次垮落步距都在12～22m之間，80％以上集中在14～18m，屬于較破碎、易垮落的頂板。但是，近幾年來隨著礦井開采深和火成巖侵蝕的影響，南部兩對礦井相繼出現(xiàn)了幾5煤層工作面老頂初次垮落步距大幅增大到38~48m的情況，特別是3510工作面老頂初次垮落險(xiǎn)些釀成重大頂板事故的使我們警醒！向我們提出了對這種具有特殊性的老頂初次垮落機(jī)理進(jìn)行探討、認(rèn)識、搞好頂板安全技術(shù)管理的問題。

（1）工作面概況：3510工作面位于351采區(qū)中部二區(qū)段，上限標(biāo)高-283.6 m，下限標(biāo)高-344.8m，位于其上的4煤層因火成巖侵蝕嚴(yán)重而不可采，大面積侵入的4煤火成巖床構(gòu)成了工作面上分層老頂。工作面傾斜長壁布置，放炮落煤，煤厚為2.0～3.4m平均厚2.8m，采高2.3m，傾角8°～12°，煤層賦存狀況較穩(wěn)定。工作面走向長390m，傾斜長157m，支護(hù)采用DZ25-25/100單體液壓支柱，HDJA-1000金屬鉸接頂梁，支柱穿直徑300mm塑鋼柱鞋，棚距600mm，設(shè)計(jì)支護(hù)密度1.67根/m²，支護(hù)強(qiáng)度為490kN/m²，三四排管理，放頂步距為1.0m，采空區(qū)處理采用完全垮落法。

（2）垮落經(jīng)過。2003年11月8日夜班，3510工作面已回采放頂46m。外觀看，采空區(qū)距放頂線10m以外垮落、充填比較充分（上端頭附近20m垮落不充分），放頂線10m內(nèi)懸頂達(dá)1500m²。當(dāng)班放炮后正在攉煤、掛梁，在沒有感覺到礦壓異常的情況下，工作面突然來壓，采空區(qū)頂板瞬間大面積切斷垮落，頂板垮落擠壓出的采空區(qū)暴風(fēng)把腰巷距回采線10m處的一道簡易反向風(fēng)門沖垮，將距上出口20m處面向老塘取料的工人朱某仰面沖倒（事后分析朱某恰好在出風(fēng)口位置），暴風(fēng)刮起的煤矸微粒嵌入朱某面部淺表面，造成發(fā)毛細(xì)血管破裂。突然顯現(xiàn)的沖擊地壓還造成工作面1/3的單體液壓支柱三用閥被壓壞漏液、10多根單體液壓支柱被壓折斷、鉸接頂梁被壓成扁鐵狀，后兩排支柱普遍鉆底500～900mm。

由于事發(fā)前對老頂垮落的困難和危害有所預(yù)見，管理上始終保持了高度的警惕，初次放頂安全技術(shù)措施執(zhí)行嚴(yán)格，支柱初撐力基本都保持在80～90kN以上，放頂線全承載切頂支柱、單排挑棚齊全正規(guī)，才沒有引發(fā)壓（推）垮工作面，造成更大的事故及損失。

2對老頂初次垮落機(jī)理的探討分析

2.1老頂?shù)慕缍?BR>
根據(jù)工作面地質(zhì)資料，有一種觀點(diǎn)：把煤層上覆的1.0～1.5m厚泥巖及4.7～5.2m厚的中細(xì)粒砂巖共同劃分為直接頂，依據(jù)是砂巖之上有一層0.1～0.5m天然焦形成的弱面。筆者不同意這種劃分，而認(rèn)為：4.7～5.2m厚的中細(xì)粒砂巖頂板應(yīng)屬于老頂?shù)囊徊糠?，一是其厚?1.5～2.0m；二是巖性堅(jiān)硬，在采空區(qū)懸頂長度大大超過2.0m而不跨落。所以，3510工作面的老頂應(yīng)該由2部分構(gòu)成：一部分為4.7～5.2m厚的中細(xì)粒砂巖及上覆的天然焦，另一部分為7.4～11.2m的淺綠色閃長巖。

2.2垮落帶與裂隙帶的確定

由于直接頂厚度僅1.0～1.5m，遠(yuǎn)不足采高的2～3倍，而2部分老頂?shù)姆謱雍穸榷荚?m以上，屬于厚層難冒頂板，需要懸露相當(dāng)大的面積后才會垮落。因此層位、巖性不同決定了其在斷裂、旋轉(zhuǎn)、下沉、垮落觸矸的順序，程度不同，顯而易見：下分層老頂先于上分層老頂斷裂、垮落；相對而言，下分層老頂處于垮落帶，上分層老頂處于裂隙帶。

2.3老頂垮落機(jī)理的探討分析

通過對3510工作面初次放頂全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，分析，發(fā)現(xiàn)其老頂垮落分為4個階段如表1，并具有以下機(jī)理：

表1工作面壓力顯現(xiàn)統(tǒng)計(jì)表

見表

(1)回采2m后，泥頁巖直接頂開始冒落，當(dāng)放頂6～7m時，直接頂自上而下全部垮落，老塘充填高度1.5～2.0m。直接頂上部巖體沒有斷裂、下沉的跡象（8～10m后開始緩慢彎曲下沉）。

（2）回采14～16m時，下分層砂巖頂板開始有較明顯下沉并伴有斷裂聲響，但沒有發(fā)生垮落；工作面后2排支柱有礦壓顯現(xiàn)，支柱工作阻力8～12Mpa，頂?shù)装逡平?0～100mm/m，回采17峒之后恢復(fù)正常。分析認(rèn)為：這次來壓是下分層老頂?shù)某醮蝸韷海窍路謱永享旊p支點(diǎn)巖梁跨度達(dá)到一定跨距時，產(chǎn)生的斷裂、下沉，這時下分層砂巖頂板與上分層老頂開始離合，上分層老頂仍然完好，在采空區(qū)上方呈雙支點(diǎn)巖梁狀態(tài)，沒有產(chǎn)生位移和形變，對工作面不構(gòu)成任何壓力。

（3）當(dāng)回采到30～33m時，下分層老頂在距放頂線10m外開始切斷，垮落，10m范圍內(nèi)頂板下沉加劇，全工作面礦壓顯現(xiàn)非常明顯，支柱工作阻力從煤壁到放頂線達(dá)14～20Mpa，頂?shù)装逡平?20~200mm/m不等。分析認(rèn)為：這次垮落是下分層老頂?shù)某醮慰迓洌瑫r也是上分層老頂彎曲、斷裂下沉，把自身及上覆巖體的重量疊加傳遞給下分層老頂巖體的結(jié)果。這時上分層老頂仍然沒有垮落（下部天然焦可能垮落），而是彎曲、下沉觸矸而形成砌體梁，在距放頂線10m范圍內(nèi)下沉巖體的部分壓力造成了支架工作阻力和頂?shù)装逡平康脑龃蟆?BR>
（4）當(dāng)回采到46m時，出現(xiàn)了在沒有顯示征兆的情況下頂板瞬間大面積切斷垮落，支柱工作阻力驟增到25～40MPa，頂?shù)装逡平吭龃蟮?00～400mm/m的情況，大面積切斷垮落的頂板和驟增的沖擊地壓還造成了支柱三用閥、單體液壓支柱、鉸接頂梁折損，人員、通風(fēng)設(shè)施被采空區(qū)擠出的暴風(fēng)沖倒、損傷。分析認(rèn)為：這次垮落才能視為老頂雙支點(diǎn)巖梁跨距達(dá)到了受力極限狀態(tài)，因放炮震動或某一次斷裂時，垮落的巖體一部分觸矸得到支撐形成新的力平衡，而距放頂線約10m范圍內(nèi)的巖體的全部壓力通過下分層老頂懸露巖梁全部傳遞給了工作面支架和煤壁。

3頂板管理的對策措施

（1）回采前，有關(guān)部門要掌握完整、準(zhǔn)確的工作面頂板數(shù)據(jù)資料，以利于在技術(shù)、完全管理上制定、采取針對性措施。有條件的礦井可以考慮回采前通過高位巷道打鉆注水，軟化頂板，以利于回采時老頂垮落。

（2）回采中，有條件的礦井對厚層難冒項(xiàng)板應(yīng)該采取鉆眼爆破或強(qiáng)制放頂措施，促進(jìn)老頂垮落。

（3）支護(hù)上必須堅(jiān)持“初撐力第一，支、護(hù)、穩(wěn)并重”的原則，適當(dāng)增大支護(hù)密度，保證支柱有足夠的初撐力，支架有足夠的支護(hù)強(qiáng)度。同時必須保持齊全正規(guī)的全承載切頂支柱和單排挑棚，防止老頂落壓（推）垮工作面。

（4）現(xiàn)場管理中要正確判斷、區(qū)分各分層老頂初次來壓、垮落的情況，切不可因混淆不清而發(fā)生管理失誤，要特別重視回采30m之后到老頂初次完全垮落前的安全技術(shù)管理。

（5）對老塘瓦斯大、直接頂冒不充分、老塘懸頂空間較大的情況，必須采取有效的瓦斯治理措施，防止頂板垮落時引發(fā)瓦斯事故。

（6）實(shí)踐表明回采時頂板鋪設(shè)塑料網(wǎng)（網(wǎng)格30mm×30mm），到老塘懸下之后可以緩沖老頂大面積垮落時采空區(qū)暴風(fēng)造成的危害。

（徐明新）