摘要：復(fù)合頂板管理難度大，尤其在初次放頂期間，經(jīng)常發(fā)生大面積推垮型冒頂。為尋求解決這類煤層安全回采的有效辦法，通過認(rèn)真研究某礦“3•12” 4272B11b頂分層工作面冒頂事故發(fā)生機(jī)理，總結(jié)出復(fù)合頂板下采煤必須采取的安全技術(shù)措施，提出了針對(duì)性的防范措施。
關(guān)鍵詞：煤礦開采 復(fù)合頂板 推垮型冒頂 預(yù)防措施
1 4272B11b頂分層工作面概況
礦井開采緩傾斜煤層，可采煤層13層，總厚度33m，其中頂板為復(fù)合頂板的可采煤層6層，總厚度17m，占礦井可采煤層總厚的52%。4272B11b頂分層工作面系該礦四水平、42采區(qū)、7階段北翼B11b頂分層工作面，其回采上限標(biāo)高為-573m，下限標(biāo)為-633m，煤層平均厚度4•1m，傾角21°，工作面傾向長(zhǎng)168m，走向長(zhǎng)240m。工作面采高2.0m，初采期間采高1.8m，煤層直接頂為厚1.2m的深灰色細(xì)砂質(zhì)泥巖，其上為厚0.8m的煤線，基本頂為厚2.0m的深灰色條帶狀細(xì)砂巖，其上為灰色中厚層狀細(xì)砂巖。根據(jù)復(fù)合頂板的特征，本工作面為典型的復(fù)合頂板工作面。
2 采煤方法和頂板管理
工作面采用傾斜分層走向長(zhǎng)壁采煤法，炮采落煤工藝。
支護(hù)方式為齊梁直線柱鉸接走向棚支護(hù)頂板，支柱型號(hào)為DZ22-30/100型單體液壓支柱，頂梁型號(hào)為HDJA-1000型金屬鉸接頂梁，柱距0.5m，排距1.0m。工作面采用三、四排控頂，即3~4m管理，放頂步距1.0m。初采期間特殊支架為單體液壓支柱和金屬鉸接頂梁架設(shè)的一梁一柱順山鉸接挑棚。
采空區(qū)采用全部垮落法處理。
3 勞動(dòng)組織及循環(huán)方式
勞動(dòng)組織形式為單鎬采煤，雙人分段放頂回柱。工作面作業(yè)方式為“兩采一準(zhǔn)”，日進(jìn)2個(gè)循環(huán)。
4 冒頂事故情況
事故發(fā)生時(shí)間為2004年3月12日下午，事故當(dāng)班為檢修班。事故發(fā)生時(shí)工作面上端距切眼11m，下端距切眼4m。冒頂范圍為工作面下端頭向上3~50m段，冒頂傾向長(zhǎng)度47m，走向長(zhǎng)度4m。采空區(qū)懸露的頂板(傾向長(zhǎng)30m、走向長(zhǎng)3m)也跟隨冒落。
5 冒落機(jī)理分析
5.1 4272B11b頂分層工作面冒頂特點(diǎn)
5.1.1 冒頂前，采場(chǎng)頂板壓力不大，支架沒有壓縮變形。
5.1.2 冒頂前無明顯征兆，推垮發(fā)生時(shí)速度快，來勢(shì)兇猛。
5.1.3 冒頂發(fā)生在開切眼附近。
5.1.4 冒頂發(fā)生在回柱放頂即將結(jié)束時(shí)。
5.1.5 復(fù)合頂板軟巖層呈整體冒落。
5.1.6 冒頂后，基本頂大面積懸露。
5.1.7 冒頂后，單體支柱沿煤層傾斜方向倒下。
5.1.8 冒頂后，冒頂段以上4m工作面煤壁頂板出現(xiàn)斷裂。
5.2 冒頂機(jī)理分析
冒頂事故發(fā)生在工作面回柱放頂即將結(jié)束時(shí)，回柱放頂前工作面支護(hù)為四排正規(guī)支架加一排順山挑棚，這些支架中支柱的工作阻力勉強(qiáng)可以支撐住復(fù)合頂板中的軟巖層；回柱放頂即將結(jié)束時(shí)，工作面僅有三排正規(guī)支架，支撐不住軟巖層，加上軟巖層因淋水等原因離層，從而導(dǎo)致軟巖層斷裂形成六面體。冒頂前工作面采空區(qū)下口向上近30m、走向長(zhǎng)3m(懸頂面積90m2)范圍頂板未冒，下順槽破復(fù)合頂板下位軟巖層施工以及工作面冒頂前下口曾發(fā)生小面積冒頂?shù)葼顩r，為六面體提供了去路；另外，六面體自重較大(約1.12×104kN)，向去路方向的傾角較大，最終導(dǎo)致六面體下移，推垮工作面。
5.2.1 復(fù)合頂板下位軟巖層離層 工作面初設(shè)支柱初撐力均不小于50kN，但因底板為B11b煤層，較軟；同時(shí)，頂板淋水使底板煤層軟化，抗壓強(qiáng)度降低，使原來初撐力不小于50kN的支柱工作阻力降至20kN以下。由于支柱的工作阻力小，支柱鉆底量大，再加上頂板淋水，造成復(fù)合頂板下位軟巖層下沉，而上位硬巖層因開切眼附近受兩側(cè)煤體支撐基本未下沉，從而導(dǎo)致復(fù)合頂板軟、硬巖層離層。
5.2.2 下位軟巖層內(nèi)斷裂出六面體 由于支柱工作阻力小于20kN，支撐不住復(fù)合頂板下位軟巖層，使軟巖在支柱低阻區(qū)下沉并產(chǎn)生斷裂；靠采空區(qū)側(cè)軟巖層從開切眼處已經(jīng)斷裂，形成一個(gè)由單體支柱支撐的不穩(wěn)定的不規(guī)則六面體。
5.2.3 六面體存在去路且有較大傾角 工作面下端冒頂前一天曾發(fā)生小面積冒頂；工作面采空區(qū)從下端頭向上30m、走向長(zhǎng)3m處范圍頂板未冒落，形成大的六面體。由于下順槽沿頂施工，破壞了復(fù)合頂板，為六面體提供了去路，再加上六面體沿去路方向傾角達(dá)21°，既有去路并且沿去路方向又有較大傾角的六面體，很容易冒落。
5.2.4 六面體下推力大于阻力 該六面體受到的下推力大約是4000kN，幾乎全靠工作面下口軟巖層頂板的阻力阻止其下推，而這一部分軟巖層又受到破環(huán)，實(shí)際阻力很小，不能阻止其下移。
6 預(yù)防措施
6.1 增大并保持單體液壓支柱的初撐力
單體支柱的初撐力小時(shí)，支撐不住復(fù)合頂板中的軟巖層，便可導(dǎo)致軟巖離層推垮工作面。為解決這個(gè)問題，必須提高單體支柱的初撐力P0，使初撐力不僅能支撐住復(fù)合頂板下位軟巖層，而且使軟巖層壓緊硬巖層，其間的摩擦阻力足夠阻止軟巖層下滑，從而使支架自身也能穩(wěn)定。P0可按下式計(jì)算:
P0≥γh0/n(cosα+1/fsinα) (1)
式中，P0為每根支柱初撐力，kN/根；n為支護(hù)密度，根/m2；γ為軟巖層平均密度，kN/m3；h0為軟巖層厚度，m；α為煤層傾角， (°)；f為軟硬巖層間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
對(duì)4272B11b頂分層工作面來講，n=2根/m2，γ=20•19kN/m3，h0=2.0m，α=21°，f=0.3。經(jīng)過計(jì)算P0≥50kN時(shí)，能夠滿足防止復(fù)合頂板推垮工作面的要求。
單體液壓支柱的初撐力達(dá)到50kN以上是先決條件，關(guān)鍵是保證其工作阻力也在50kN以上，這樣，就必須采取穿木鞋或鐵鞋措施，減少支柱鉆底量。另外，增大支護(hù)密度可增大支柱對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度，防止推垮型冒頂?shù)陌l(fā)生。
6.2 提高支架穩(wěn)定性
一是在工作面采空區(qū)側(cè)鉸接頂梁下，沿傾斜方向中中10m采用長(zhǎng)方木裝設(shè)“井”形木垛，這樣會(huì)形成整體支架，增強(qiáng)了支架的穩(wěn)定性，增加了工作面支撐頂板的能力；二是使用拉鉤式連接器把每排支柱從工作面上口至下口都連接起來，這樣整個(gè)工作面形成了一個(gè)可以阻止六面體下推的整體支架。三是工作面采用下偽傾3~5°方向施工；四是控制采高，復(fù)合頂板下部軟巖層垮落后超過采高，一方面可以堵住六面體的去路，另一方面可以增加六面體下推時(shí)的摩擦阻力，采高控制一般在1.8m以下；五是掘進(jìn)順槽及開切眼時(shí)不破壞復(fù)合頂板，這樣可以保持復(fù)合頂板的完整性，不給六面體以去路；六是加強(qiáng)工作面頂板壓力和狀況觀察，支柱支設(shè)時(shí)要從嚴(yán)要求，初撐力達(dá)不到50kN時(shí)要采取穿木鞋或鐵鞋等措施增大初撐力，確保初撐力不小于50kN；觀察頂板狀況，發(fā)現(xiàn)頂板出現(xiàn)裂隙要及時(shí)采取裝木垛、使用迎山抗棚等措施加強(qiáng)支護(hù)；七是強(qiáng)制放頂，工作面采空區(qū)頂板懸頂面積大于2×5m2時(shí)，要采取強(qiáng)制放頂措施，即在頂板內(nèi)打眼、裝藥、放炮，強(qiáng)迫其冒落，以減少工作面懸頂面積，防止發(fā)生冒頂，六是工作面初采時(shí)不要反推，復(fù)合頂板下位軟巖層在開切眼處已離層斷裂，當(dāng)在反推范圍內(nèi)初次放頂時(shí)，極容易在原開切眼處誘發(fā)推垮型冒頂。
7 結(jié)語
復(fù)合頂板下采煤是一個(gè)比較難的課題，但復(fù)合頂板推垮型冒頂事故也是可以預(yù)防的，關(guān)鍵在于措施得力，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行到位。