高头窑煤矿G3-1102工作面矿压显现规律及压架原因分析

吕 波

(华能集团内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 014316)



高头窑煤矿G3-1102工作面矿压显现规律及压架原因分析

吕 波

(华能集团内蒙古北联电能源开发有限责任公司高头窑煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 014316)

结合高头窑煤矿G3-1102工作面压架情况，分析了矿压显现规律和压架原因，结果表明，由于工作面开采时引起上覆煤柱应力集中并传力于煤柱下两侧区域，从而导致上覆保护煤柱下两侧的区域支架压死。

煤矿，回采工作面，矿压，压架原因

0 引言

回采工作面支架阻力以及回撤巷道的合理支护是保证工作面安全高效开采的重要因素。近年来，随着科技的不断发展，回采工作面支架阻力逐渐增加，已达国际领先水平。然而，先进的配套设施以及较高的支架阻力仍无法满足煤矿开采的需要，即使在简单的地质条件下仍发生了多起支架压死事故，造成了巨大经济损失，严重威胁着工人的人身安全。作为我国重要新型煤炭基地的神东矿区，自2007年以来，发生严重压架事故约12起，造成近3亿元的巨大经济损失，严重影响着神东矿区安全生产。为此，针对神东矿区压架机理及防护，许多学者进行了相关研究。鞠金峰等[1,2]基于神东矿区石圪台煤矿压架事故，通过理论分析、现场测试及模拟试验进行了研究，认为出两侧采空煤柱阶段煤柱边界上方两关键块体形成的不稳定三铰式结构和出一侧采空煤柱关键层悬臂式破断是压架发生的主要原因，并认为缩小下煤层切眼距煤柱边界的距离能够有效避免煤柱上方关键层破断，防止压架。周海丰[3]针对该事故，认为合理优化工作面开采设计、对上覆集中煤柱实施预裂爆破、工作面调斜、矿压观测等措施，可有效避开综采工作面应力集中，从而使周期来压强度和动载矿压降低，达到避免发生压架事故的目的。

另外，其他矿区也有类似现象存在，如陕西崔木煤矿，发生压架事故7起。同煤集团塔山煤矿和酸刺沟煤矿工作面支架工作阻力虽已高达15 000 kN，但由于切顶等原因造成多部支架损坏。为了防止压架事故的发生，张亮提出了优化可控因素、弱化不可控因素的防治原则[4]。许家林[5]认为合理设计支架工作阻力是防治压架冒顶的有效技术措施。高小金[6]认为实时的监测和盯防以及及时的加强支护可以有效避免压架事故。

本文基于高头窑煤矿压架事故，分析了矿压显现规律和压架原因。

1 工程背景

高头窑煤矿位于鄂尔多斯盆地东胜煤田，侏罗系中下统延安组为本区的主要含煤地层。井田内可采煤层12层，其中大部分可采煤层5层，即2-3,3-1,4-1,4-2,5-1煤层。2-3煤为高头窑煤矿首采煤层，G2-301工作面为2-3煤首采工作面，3-1煤为二层煤，G3-1102工作面、G3-1104工作面均位于该煤层，属于采空区及煤柱下采煤，地质条件及矿山压力情况复杂。G3-1102工作面末采期间，多处液压支架压死，主回撤通道巷道变形量较大，工人人身安全受到严重威胁，造成了较大的经济损失，生产效率受到了较大影响，不符合现代化矿井安全、高产、高效生产的要求，针对高头窑煤矿压架灾害的发生机理，提出合理的防治对策十分必要。

2 高头窑煤矿G3-1102回撤通道及工作面矿压显现规律及压架原因分析

2.1 G3-1102主回撤通道矿压显现规律

由于距离停采线15 m之前，副帮压力保持稳定，故只分析距停采线15 m内帮部压力变化情况。从图1中可看出，当距离停采线11 m时，帮部压力出现迅速增加，且13日下午工作面出现首次矿压显现，之后帮部压力略微减小后继续快速增加，此时明显看到主回撤通道内第一联巷与第三联巷间的严重帮鼓，且部分锚杆托盘脱落失效。14日20时左右，出现第二次矿压显现，帮部压力因释放还有所降低，之后继续增加，当距停采线4.8 m左右，帮部压力达到第一峰值，随后压力逐渐较小，说明该段时间内出现第三次矿压显现。随后虽然帮部压力继续增加，但第二峰值压力与第一峰值压力相差不多，维持一段时间后开始减小。

通过上述分析可知，回撤巷道矿压显现主要发生在距停采线11 m内，且每次矿压显现总会伴随着压力的降低；最大矿压显现发生在距停采线4.8 m以内，且贯通后发现副帮已发生较严重破坏，尤其以拱肩破坏最为严重，第一联巷与第二联巷间垂直回撤巷道轴线方向靠近工作面部分出现剪断下沉；第二峰值与第一峰值相差不大，说明贯通前已经发生最大矿压显现，如果能更快的贯通巷道，即在第一峰值出现前贯通，可能能够避免最大矿压显现的出现。

2.2 工作面末采期间及贯通后矿压显现

当工作面推进到距主回撤通道4.8 m时，工作面大面积异常来压，造成工作面内43号、44号液压支架压死，40号～65号支架处出现底鼓，主回撤通道内顶板上覆煤柱下出现切顶，顶板整体下沉，达0.70 m，帮鼓约0.75 m。当推进到距主回撤通道4.2 m时，工作面内39号～45号、63号～70号液压支架压死，105号～110号液压支架行程200 mm，主回撤通道内顶板最大下沉量达0.87 m，两帮最大鼓出量1.03 m,截止2月2日主回撤通道内顶板最大下沉量达1.55 m，两帮最大鼓出量1.04 m。

当回采工作面距离主回撤通道4.8 m时，从工作面顶底板切片可知，顶板切边受到2-3煤工作回采影响较为明显，应力集中区偏向G2-1101工作面侧，但是靠近回采工作面煤壁应力集中情况两侧相似。从煤层顶部切片可知，应力最大应力集中点位于G2-1103工作面侧煤柱，应力极值为13.2 MPa，而且上层顺槽煤柱两侧的回采工作面前方煤柱应力集中情况较为突出，均达到10 MPa以上，由于回采工作面距离主回撤通道不足5 m，区间煤柱容易变形片帮，导致G3-1102工作面顶板下沉，出现部分区域压架显现。

2.3 压架原因分析

G3-1102工作面末采阶段矿压显现剧烈，造成多架液压支架压死，主回撤通道顶板累计台阶下沉达1.59 m，两帮累计鼓出1.04 m，造成工作面设备回撤十分困难。其原因主要有：

1)停采线内错距离偏小。G3-1102工作面与G2-3101工作面停采线间距6.4 m偏小。通过数值分析和现场调研可知，G2-3101与G2-3103工作面间的保护煤柱与实体煤交叉处的应力集中明显，引起G3-1102工作面主回撤通道及停采线位置局部载荷剧增，剪切效应显著，极易造成主回撤通道及工作面冒顶压架。

2)多关键层顶板结构。G3-1102工作面顶板岩性不稳定，由砂质泥岩、中砂岩、细砂岩构成了多个关键层，在大采高条件下，形成稳定的砌体梁结构较困难，更易形成悬臂梁结构。末采期间动载较大，且作用时间较长，使得悬臂梁结构的大面积破断冒落，导致矿压显现剧烈。

3)2-3煤采空区冒落不充分。岩移观测表明，2-3煤工作面地表移动持续总时间约304 d。在上覆工作面回采稳定时间较短的情况下，G3-1102工作面回采时，受停采线附近应力集中作用的影响，上覆工作面顶板的动载与G3-1102工作面顶板垮落易形成动载叠加，形成较大的矿山压力。

3 结论与建议

1)矿压显现主要发生在末采阶段，工作面表现为支架压死、底鼓明显，主回撤通道表现为巷道变形量大。由于工作面开采引起上覆煤柱下两侧应力集中明显，从而导致煤柱下附近支架压死。

2)压架现象与各煤层停采线内错距离、多关键层顶板结构和2-3煤采空区冒落不充分有关。

3)为防止后续煤层采煤出现类似压架现象，应加大各煤层停采线内错距离，尽可能远离预留煤柱区，同时应加强回撤通道支护强度。

[1] 鞠金峰,许家林,朱卫兵.神东矿区近距离煤层出一侧采空煤柱压架机制[J].岩石力学与工程学报,2013,32(7):1321-1330.

[2] 鞠金峰,许家林,朱卫兵.大柳塔煤矿22103综采面压架机理及防治技术[J].煤炭科学技术,2012,40(2):4-7.

[3] 周海丰.综采工作面过上覆集中煤柱压架机理分析[J].煤炭科学技术,2014,42(7):120-128.

[4] 张 亮, 李志刚,解兴智.特厚煤层综放工作面大面积压架机制及防治技术研究[J].煤炭工程,2015,47(11):67-73.

[5] 许家林,朱卫兵,鞠金峰.采场大面积压架冒顶事故防治技术研究[J].煤炭科学技术,2015,43(6):1-8.

[6] 高小金.关于综采三队43310工作面68号支架压死的追查报告[J].山东工业技术,2014(8):82.

The analysis of mine pressure behave law and hydraulic support crushing about Gao Touyao Mine

Lv Bo

(HuanengGroupinInnerMongolia,NorthUmcEnergyDevelopmentCo.,Ltd,GaoTouyaoCoalMine,Erdos014316,China)

Combining with the pressing frame situation of G3-1102 working face of Gaotouyao coal mine, this paper analyzed the mine pressure behavior rules and pressing frame reason, the results showed that the overlying coal pillar stress concentration and force in both sides region of coal pillar caused by working face mining, resulting in bracket crushed of both sides of overlying protection coal pillar.

coal mine, coalface, mine pressure, pressing frame reason

1009-6825(2017)15-0241-03

2017-03-14

吕 波(1974- )，男，高级工程师

TD323

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