工作面顶板灾害类型、监测与防治技术体系

长期以来顶板灾害在我国煤矿灾害事故中发生起数和死亡人数始终占据首位,是困扰煤矿安全生产的主要难题。笔者开展了顶板岩性、矿压显现特征和顶板灾害案例统计分析,结果表明:我国回采工作面顶板灾害主要表现为片帮冒顶、顶板大面积突然垮落和大面积切顶压架3种类型。系统分析了各类型顶板灾害的发生特点及致灾原因:片帮冒顶多发生于松软煤岩体,采煤方法不合理及管理不当的工作面;顶板大面积突然垮落一般为坚硬顶板大面积悬顶、瞬时垮落所致;大面积切顶压架主要发生在薄基岩浅埋深工作面或顶板累积下沉量大引起顶板在煤壁处断裂的工作面。针对我国顶板灾害监测与防治,建立了工作面顶板灾害全景监测预警技术架构,即采用微震监测系统监测远场顶板活动,采用矿压监测系统监测近场顶板运动,采用三维激光扫描技术监测煤壁片帮时空演化,通过监测数据系统分析,动态掌握采场围岩的活动规律和支架工况,实现顶板灾害监测预警。提出了工作面开采全过程的顶板灾害综合防治技术体系,在工作面开采前确定合理采煤方法,合理工作面布置方式,科学开采参数及优化设备选型配套,这是防治顶板灾害的核心技术;在开采过程中保持支架良好的工况辅以顶板弱化技术,进而实现工作面顶板灾害防治。     

短长壁大倾角综放工作面坚硬顶板超前弱化技术研究

大倾角短长壁综采放顶煤工作面厚层坚硬顶板不易垮落,采空区易发生大面积悬顶、瓦斯积聚以及顶板垮落动力冲击等灾害。以博斯坦煤矿1131工作面为例,计算了工作面顶板破断歩距,通过分析坚硬顶板处理方法,提出了顶板弱化技术方案,针对大倾角坚硬顶板超前弱化确定了合理的炮眼布置方式、爆破参数以及安全技术措施,通过现场实践,实现了工作面顶板及时垮落,确保矿井安全生产。     

西川煤矿厚煤层综放开采顶板破断特征及支护阻力确定

以西川煤矿1109综放工作面生产技术条件为工程背景,采用数值模拟、理论分析与现场实测相结合,研究了综放开采顶板破断特征及其影响因素以及工作面支护阻力的确定。研究表明,1109综放工作面上位直接顶的周期性破断导致工作面来压,影响其周期性破断的主要因素为上位直接顶岩层厚度以及覆岩压力;工作面支护阻力主要由上位直接顶周期垮落步距、支架控顶距、附加力作用位置以及下位直接顶对上位直接顶作用力距煤壁距离确定,并计算得出了1109工作面合理的支护阻力。现场实测表明:ZF6400/17/32型液压支架工作阻力满足顶板支护要求,能够有效支撑顶板,保证工作面安全生产。     

大采高长悬顶综放工作面压架机制及防治技术

针对酸刺沟煤矿6上105-2工作面的压架事故,采用理论分析和现场实测的方法对大采高长悬顶综放工作面顶板运移破断特征进行分析,结果表明直接顶悬顶弯曲沉降导致的顶煤超前支架切顶线压碎垮落,致使顶板对支架的合力作用位置前移以及工作面上方至少存在6层硬岩同时破断产生的冲击是压架发生的根本原因。最后提出了防止压架事故的"采空区留条形间隔煤垛"技术。     

坚硬顶板工作面支架前方切顶卸压技术研究

针对青龙煤矿21606工作面上部坚硬顶板难以垮落造成工作面支架支撑压力过大的问题,运用理论计算、数值模拟、现场实测的手段,分析了工作面切顶前后的覆岩运移特征及切顶后的工作面支架来压情况,开展现场工业试验,验证了支架前方切顶技术卸压效果。结果表明：采用切顶技术能够切断坚硬顶板之间的联系,根据强制放顶断裂力学模型计算出了切顶后的第1层基本顶的初次断裂步距为27.3 m,第2层基本顶的初次断裂步距为50.3 m,相较于未切顶条件下,分别减小了4.3 m、8.3 m;采用数值模拟分析了上覆岩层的运移规律,得出最佳切顶高度为15 m;切顶后工作面支架平均支撑压力由36 MPa减小为26.5 MPa;切顶后工作面基本顶在开采50 m后完全破断;根据来压规律,得出切顶技术实施间距为50 m。支架前方切顶卸压技术对减少工作面的煤壁片帮、增加采空区侧顶板垮落量、降低工作面支架压力等方面都有较好的效果。     

浅埋厚基岩坚硬顶板煤层初采强来压原理分析

针对浅埋厚基岩坚硬顶板煤层初采期容易出现大面积悬顶、基本顶初次来压时矿压显现异常剧烈问题,以神府矿区石窑店煤矿为工程背景,采用岩石力学实验、钻孔窥视对顶板岩层结构进行分析,在此基础上应用数值模拟和理论分析对该类顶板初采期的致灾机理进行研究。结果表明:直接顶整体性强、强度大,其初次垮落歩距大且呈大面积垮落特征,这是初采期间容易出现飓风灾害的原因;由于上位基本顶承担大部分上覆岩层载荷,其破断距只承担自身载荷的下位基本顶破断距,导致砂岩基本顶同时破断,破断后形成的厚岩块三铰拱结构稳定性差,当工作面回采到岩梁前端断裂线位置时即发生滑落失稳,给工作面支架带来巨大冲击,这是导致浅埋厚基岩坚硬顶板煤层初采期容易产生灾害的原因。     

佳峰煤矿坚硬顶板劣化卸压技术研究

佳峰煤矿1111综放工作面基本顶为厚硬石灰岩,岩性坚硬致密,难以随采面推进自然垮落,厚硬灰岩顶板的存在易发生顶板悬露,引起支架工作阻力骤增、煤壁片帮等现象,积聚能量的突然释放易引起动力冲击现象起强矿压显现,威胁工作面生产安全。针对1111工作面上覆厚硬灰岩顶板问题,提出在回采前于开切眼处通过深孔爆破对上覆坚硬顶板进行劣化处理,并针对采面开采条件设计具体施工参数。实践结果表明:通过提前对工作面上方坚硬岩层进行爆破卸压处理,岩体的结构完整性和力学性能被显著劣化,顶板能随采面推进及时垮落,采场矿压显现较为平稳,抑制了压架等现象的发生,保障了采面的生产安全。     

大倾角综放工作面矿压显现规律研究

大倾角煤层综放工作面的覆岩破断特征与矿压显现规律受倾角大、“三软”和其它地质条件等的影响,会出现支架钻底、煤壁失稳片帮、架间漏顶冒顶和支架咬架倒架等问题,严重影响工作面的安全正常生产。以汾源煤业大倾角煤层5-101综放工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验和现场监测方法,分析大倾角煤层综放工作面覆岩运移破断特征、顶板垮落步距及矿压显现规律。研究表明：大倾角综放工作面受采空区矸石充填程度的差异非均衡性,下端头充填密实,基本顶形成“倾向砌体”铰接结构,上端头基本顶作为规则冒落带随割煤推进发生冒落,呈悬顶状态居多;基本顶向工作面正上方延伸扩展发生离层,中下部的上方区域离层量大于其他区域,顶板破断沿工作面倾斜呈起伏状。大倾角综放工作面顶煤松软,支架后柱空顶显现严重,整体压力偏低,正常推采期间支架长期处于低阻力运行状态。大倾角综放工作面不同区域顶板来压频次和强度差异性较大,两端区域顶板来压频次和强度要低于中部区域,工作面矿压显现呈现明显的“时－空－强”非对称特征。     

开元矿坚硬顶板工作面深孔预裂技术研究

开元矿9814回采工作面上覆厚硬砂岩顶板,初采初放期间易发生顶板悬露,使得支架工作阻力增高、煤壁片帮破坏,同时基本顶的突然破断会引起强矿压显现,威胁工作面生产安全。针对坚硬顶板控制难题,提出在开切眼采用深孔预裂技术,提前对工作面前方顶板进行劣化,并设计了爆破施工参数。现场应用效果表明:通过深孔预裂技术的实施,采面前方顶板劣化效果明显,顶板及时垮落,基本顶来压平稳,支架工作阻力在可控范围内,保障了工作面的正常生产。     

基于实测数据的非坚硬顶板综采工作面大面积来压原因分析

综采工作面由于受地质条件、回采工艺、支护强度的影响,有时会发生大面积来压和突然垮落现象,造成人员伤亡。理论和实测分析表明,不仅坚硬顶板会发生大面积顶板来压灾害,相对顶板较软的长壁工作面也会发生大面积顶板灾害,只是两者灾害发生的位置、破坏形式有所不同。以支架工作阻力实测数据为依据,对非坚硬顶板发生的大面积来压原因进行了分析。分析结果表明:支架初撑力、工作面推进速度、支撑效率为工作面压架重要影响因素,并通过分析支架安全阀开启率实现压架的预警。     

综放工作面初次来压前强制放顶研究

为了避免大阳煤矿3号煤层3405综放工作面初采阶段大厚度坚硬顶板突然垮落,造成大面积来压,通过爆破的方式对初采工作面进行强制放顶,保证工作面的安全回采。爆破试验后,工作面顶板充分垮落,保证了工作面的安全回采,取得良好的经济技术效益。     

坚硬顶板弱化技术在22118工作面中的应用

为解决22118工作面大面积顶板来压带来的安全隐患,实现煤矿综放工作面的安全高效开采,针对潞宁煤矿2#煤层新、旧切眼顶板回采初期不易垮落、基本顶致密坚硬的问题,提出了采用缩小顶板初次垮落步距、切眼与顺槽内深孔爆破的技术。实践表明:该顶板弱化技术不仅取得了良好的经济效益,而且保证了煤矿的安全、高效生产。     

综放工作面采前顶板弱化技术研究

常村矿3#煤层基本顶致密坚硬,回采初期不易垮落,针对S6-2工作面采用开切眼深孔预裂爆破、预先破坏开切眼顶板的完整性、缩小顶板初次垮落步距的方法,对综放工作面进行采前顶板弱化处理。实践表明,该方法不但解决了大面积顶板来压隐患,也可以提前回收顶煤,实现综放工作面安全高效开采。     

首采工作面坚硬顶板预裂技术研究与实践

玉溪煤矿1301首采工作面老顶为一层坚硬厚实的中粒砂岩,在工作面切眼内实施工作面回采前深孔预裂爆破,通过对顶板预裂前后老顶断裂极限跨距的理论分析、回采初期顶板垮落情况、工作面综采支架工作阻力等的综合分析,发现顶板爆破有效缩短了初次来压步距,减小了悬顶面积,防止了大面积垮落时工作面瓦斯超限,减弱初次来压对支架的冲击破坏性。     

坚硬顶板综放工作面末采切顶护巷水压致裂控制技术

坚硬顶板具有硬度大、整体性好、难垮落等特点,但同时也导致综放工作面末采期间诸多围岩控制与安全问题.本文以潞安集团漳村煤矿2505综放工作面为工程背景,利用工作面末采切顶护巷水压致裂控制技术,人为控制顶板垮落,改变保护煤柱覆岩结构,得到了最优保护煤柱宽度为70 m,最佳切水力切顶顶板合理破断位置为停采线前方5 m处.现场监测结果表明,切顶后20 d内采区准备巷道顶底板最大下沉量为446 mm,两帮最大移近量为350 mm,支架载荷平均降低了38.8%,达到了保护采区准备巷道、缩小保护煤柱、安全高效回采的目的,为同类型矿井提供借鉴和指导.     

大倾角煤层坚硬顶板综采面预裂破顶技术研究

通过数值模拟理论分析与现场试验相结合的方法,研究并验证大倾角煤层坚硬顶板综采面预裂破顶技术的合理性,针对中厚坚硬顶板悬露距离长、突然断裂垮落产生冲击气流,发生推垮型事故,支架工作阻力急剧增大、支柱压穿、柱腔压裂、支架变形、瓦斯突然涌出,瓦斯超限等问题,研究大倾角坚硬顶板条件下的综采工作面矿压显现规律、工作面顶板的垮落特征、大倾角坚硬顶板破断后覆岩移动规律。提出大倾角坚硬顶板控制技术,以破坏顶板的完整性为前提,根据直接顶、老顶的厚度及岩性特点设计放顶方案。研究成果为具有类似条件的矿井坚硬顶板控制具有重要的借鉴意义。     

高瓦斯综放工作面顶板深孔预裂爆破技术应用

余吾煤业S2206高瓦斯综放工作面基本顶岩层厚度大、致密坚硬,初采时易形成大面积悬顶,突然大面积垮落时,易造成工作面矿压显现剧烈、瓦斯骤然升高等问题,基于此,提出对S2206工作面进行初采前顶板弱化,并通过开切眼深孔预裂爆破,预先破坏开切眼顶板的完整性,缩小了顶板初次垮落步距,杜绝了这种顶板大面积来压隐患,同时提前回收了顶煤,实现了S2206工作面安全、高效生产。     

顶板富含水特厚煤层综放开采压架成因与防治

针对崔木煤矿顶板富含水特厚煤层综放工作面频繁发生大面积切顶压架事故的问题,通过分析工作面矿压数据,得出发生压架的原因,并提出了防治对策。研究结果表明:崔木煤矿302综放工作面发生大面积压架原因主要为:1302综放工作面支护强度较小;2302工作面支架支护效率较低,主要包括实际初撑力仅为额定值的33%,安全阀开启压力仅为设计值的75%87%,不均衡系数为17%43%;3顶板水不仅降低岩石抗压强度,而且降低岩块间的摩擦因数,导致顶板发生结构失稳的可能性增加24%;通过采取划分危险区域、提高支架支护强度、提前预警、合理采放工艺、保证支架工作状态技术措施后,解决了崔木煤矿压架问题。     

特厚煤层综放开采坚硬顶板破断对瓦斯涌出影响

针对具有坚硬顶板的特厚煤层综放工作面周期来压期间瓦斯异常涌出问题,基于坚硬顶板"O-X"破断机理,从能量的角度分析了坚硬顶板破断回转对采空区的冲击过程,得到破断块体轴向作用力与采空区垮落煤岩碎胀系数之间的关系。同时研究了顶煤放出率及垮落煤岩碎胀系数对坚硬顶板破断回转前后采空区体积变化的影响规律,建立了周期来压期间采空区瓦斯涌出增加量计算模型,并与现场实测进行对比。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断回转压缩了采空区体积,使采空区高浓度瓦斯涌向工作面,导致周期来压期间瓦斯异常涌出现象。塔山煤矿8214工作面周期来压期间采空区瓦斯涌出增加量理论计算值为14.5 m~3/min,与现场实测增加量相比误差在1.79%～8.83%,两者结果较为相符,验证了模型的正确性。     

厚硬砂岩顶板水压致裂技术的应用

干河矿2-126综采工作面顶板为厚硬砂岩顶板,工作面来压步距长、矿压显现强烈,支架前方煤壁发生片帮垮落,威胁工作面生产安全.为解决坚硬顶板悬顶问题,提出水压致裂技术对顶板进行弱化.现场应用效果表明:采取水压致裂措施后顶板卸压效果明显,能够控制顶板及时垮落,工作面来压平稳,支架工作承受载荷在可控范围内,保障了工作面的正常生产.