浅埋深近距离煤层工作面出煤柱压架机理及防治措施

祝凌甫 郭守泉 曲秋扬

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

东胜煤田煤层赋存简单，埋深多在100m以内，为近水平煤层。浅埋深煤层工作面具有来压强烈，动载系数大，顶板易沿煤壁切落的特点，易造成地表台阶下沉；近距离煤层开采时，上煤层开采完毕后常常遗留较多煤柱，由于工作面布置方式的影响，给下煤层开采时带来强烈的矿压显现，出煤柱阶段更为明显。凯达煤矿6-2305工作面于2014年9月15日零点班出煤柱时发生强烈来压，造成支架快速下沉，顶梁下降致使采煤机无法继续割煤，工作面暂停生产，之后工作面全断面逐渐来压，造成全工作面压架事故。

以往的文献报道中，多为对矿压显现规律的研究，部分研究分析了关键层形不成稳定铰接结构而造成强烈动载现象和覆岩的运动规律，并未分析工作面出煤柱开采前后的区别与变化。本文针对凯达煤矿6-2305工作面出煤柱时的压架问题进行了内在机理分析，并提出合理的预防措施。

1 工作面基本条件与压架概况

6-2305工作面煤厚为1.30～1.88m，为近水平煤层。工作面走向长1684m，倾向长219m。工作面北邻6-2东辅运大巷，西部为6-2304工作面 (已回采)，东部为6-2306准备面，上部是6-2上305采空区，上下层工作面成重叠布置，下层切眼距上层切眼240m，工作面布置平面图如图1所示，工作面层间距平均为11.48m，顶底板条件见表1。2014年9月15日零点班机头推进246m，机尾推进242m，工作面整体推出煤柱区，此时，17＃～41＃支架、85＃～92＃支架、105＃～107＃支架发生压架，采煤机行走空间不够，只能停机，上覆岩层继续破断垮落，最终致使全工作面发生压架，影响生产近1个月，造成重大经济损失。

图1 工作面布置平面图

表16-2305工作面主要煤岩层分布表

2 压架机理分析

2.1 关键层岩块破断机理分析

了解压架机理，必须分析关键岩层的破断规律。根据表1的具体情况，并利用关键层理论，可得出该工作面的关键层层位，分别为4.10m厚的粉砂岩层和3.40m厚的细粒砂岩层，即第一关键层和第二关键层。

图2 岩层垮落及压架示意图

受工作面布置的影响，6-2305工作面切眼距离上煤层切眼240m，因此，6-2305工作面起初开采时在煤柱下方。随着工作面的推进，第二关键层破断为岩块，并垮落，第一关键层随之破断垮落，岩层垮落示意图见图2(a)。第一关键层破断垮落时，垮落岩层厚度大、强度高，表现为来压。此时，两关键层随工作面的推进均为破断回转失稳，形式一致，分析其失稳过程。取岩块B1和B2为例分析。

关键层岩块破断回转过程有3个过程，即上部拉裂、回转、挤压变形。当B1和B2间挤压应力小于岩块自身及其上覆岩层容重时，岩块发生垮落，分析该情形发生的条件。取B1进行受力分析，岩块B1受力示意图如图3所示。岩块回转后状态稳定时，存在∑MO＝0，则

图3 岩块B1受力示意图

式中:T——相邻岩块提供的挤压力，kN；

h——破断岩块的高度，m；

a——挤压处的高度，m；

α——挤压角，(°)；

l——破断岩块的长度，可认为来压步距，m；

q——破断岩块的均布载荷，kN／m。求解式 (1)，得到

分析该岩块在垂直方向上的受力为:

式中:F——岩块自重与相邻岩块间的摩擦力的合力，kN；

f——相邻岩块对B1的摩擦力，kN；

μ——岩块间摩擦系数，取0.35。

第一项为自身及上覆岩层载荷，后一项为挤压力产生的摩擦力。一般a和α均较小。此时，式(3)可简化为:

分析式 (4)，得出当岩块长高比l／h＞0.286时，F＜0，岩块不会发生垮落；当l／h＜0.286时，F＞0，则岩块发生垮落。考虑本工作面第一、二关键层厚度及平均来压步距 (10～16m，平均13m)，则当l／h＝3.17～3.82，即本工作面在煤柱下方推进时，造成岩块破断回转而铰接，存在挤压力T时，岩块B1不会发生垮落；而当B2、B3岩块发生相对回转时，B2岩块右侧下沉，B1和B2接触点消失，T随之消失，此时B1岩块垮落。因此，B1岩块的垮落取决于B2、B3岩块的破断回转。

2.2 推进过程中压架分析

关键层随工作面推进时的破断、垮落过程:

(1)在煤体下方推进时，当工作面推进至B2岩块下方时，B1和B2岩块发生回转，根据前述内容，B1不会垮落；A1和A2岩块随B1和B2回转发生相对回转；当工作面推进至B3岩块下方时，B2和B3岩块发生回转，此时，B1岩块垮落；第一关键层中A2和A3岩块也滞后发生相对回转，随之A1垮落，工作面形成来压，来压显现不明显。

(2)出煤柱时，压架示意图如图2(b)所示，假设工作面推进至B4岩块下方，则B2发生垮落，A2滞后随之垮落。此时，A3岩块左侧的A2已垮落，两者不具有挤推力T；A3岩块右侧为上层采空区顶板，已发生破断垮落，亦无法提供挤推力T。同时，B3和B4发生相对回转，使得A3岩块具有下沉空间，又由于A3岩块右侧无挤推力T使其形成稳定结构。因此，在A2岩块垮落时，A3岩块同时垮落，表现为大范围的切顶冒落，造成压架事故的发生。

3 矿压显现分析

根据工作面支架压力记录仪采集的支架工作阻力实时数据，利用其平均值和均方差之和作为来压判据，选取工作面9＃(机头架)、79＃(中间架)、149＃(机尾架)的实时矿压数据，得到工作面来压曲线图，见图4。

图4(a)(c)显示，两端头来压特点为正常回采期间两端头来压步距大，动载系数小，来压显现不明显；来压期间动载系数大，来压强烈且持续时间长。压架时，来压强度达到安全阀开启值，远大于平时来压值，符合前述分析结果。

图4(b)显示，工作面中部来压特点为正常回采期间，工作面中部来压步距小，来压强度高；多次来压发生在上午8点以后，即检修班期间；来压强度均接近支架的最大工作阻力，支架工作阻力富裕系数较小；压架时，所有支架的安全阀开启，且采用的单一大流量安全阀使得来压时支架快速下降，减小采煤机行走空间。

4 工作面压架预防措施

(1)造成A2和A3岩块同时垮落的主要因素为挤推力T与A3岩块的下沉空间。挤推力主要受关键层岩块的长厚比、岩块间摩擦系数等因素决定，不受人为影响。故在工作面刚推进至B4岩块时，采用填充法延缓A3岩块下沉，预防压架事故；

图4 工作面部分支架来压曲线

(2)通过增大支架中心距，进一步增大支架的额定工作阻力，提高支架的工作阻力富裕系数；

(3)采用大小安全阀，当工作面来压时，小安全阀首先开启，支架下降速度较慢，给采煤机前行提供时间和空间；来压过于强烈，大安全阀开启，保护支架立柱不受损坏；

(4)在工作面强烈来压时，适当提高割煤高度，延缓支架下降时间，给采煤机通过压力带创造时间；

(5)观测矿压数据，对工作面来压及时预报，并保证支架的初撑力，缩短检修时间，增加割煤时间，顺利度过来压段。

5 结论

(1)在破断岩块间存在挤推力T时，岩块难以垮落；正常开采时，第一关键层岩块滞后第二关键层岩块垮落；出煤柱时，由于挤推力的消失，造成第一关键层A2和A3岩块的同时垮落，造成压架事故的发生。

(2)在出煤柱进入B4岩块时，填充B3岩块下方采空区，减小甚至杜绝A3下沉空间；进一步提高支架的工作阻力，增大富裕系数；采用大小安全阀，降低支架下降速度；提高割煤速度，增大支架的下降空间；对工作面来压进行及时预报，保证初撑力，减少离层，对工作面进行调斜，使工作面逐段推过压力区，防止工作面再次压架事故的发生。

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