石圪台煤矿320综采面压架事故

1、石圪台煤矿面 压 架 事 故一、工程概况工作面概况石圪台矿 3-1 煤二盘区回采区域内上覆有本矿综采采空区、天隆房采区和实体煤。31201 工作面上方采空区为原天隆四盘区形成的 2-2 煤房采采空区。 31201 工作面与 2-2 煤层间距34.5 39m，平均 38m。据已有资料分析，上覆 2-2 煤房采区集中煤柱共有三组，第一组在距切眼330m 处，宽 61m ；第二组集中煤柱在距切眼 770m 处，宽 61m ；第三组集中煤柱在距切眼1100m 处，宽14m ；其他区域均为房采采空区。31201 综采工作面为 3-1 煤二盘区首采面，北侧为 3-1分别为主运、辅运和两条回风顺槽，见图煤辅

2、运大巷，其余方向均为实体煤。工作面采用四巷布置，1 所示。四条顺槽均沿煤层底板掘进。工作面位置及井上下关系见表1。二、事故经过及造成的损失2013年12月15日中班，工作面正常生产煤壁出现片帮现象，支架压力显示正常。夜班正常接班，煤机正常由机尾向机头推进。 16 日 0 时 40 分左右工作面 3080#架开始压力显现，达到460bar ，此时工作面采高在 3.84.1m ，工作面位置在推过上覆采空区集中煤柱 支架整体下沉，活柱行程由原来 后观察支架压力表，压力表已损坏，15.5m。工作面突然整体来压，在20秒左右时间内，23135#架1.31.5m左右下沉到 00.2m，导致煤机被压死在92

3、102#架。待压力稳定压力瞬间最大值在450 800bar 之间。9%，回风顺槽中氧气浓度最低为14%，待风流稳定后，工作面及回风顺槽中氧气浓度都超过18%;地表塌陷滞后工作面位置约30m，塌陷带长度约 300m，深度达0.7m。由于事故发生时工作面回风隅角氧气浓度最低为正值交接班时间，工作面中没有作业人员，未造成人身伤害。200 根，平衡油缸 20 根，护帮板油缸 21 根，据统计，此次压架事故对工作面设备造成严重损坏，其中：立柱 立柱安全阀 484 个，压力表 206 块，其它各类阀组 100 多个。三、事故原因分析原因一：覆岩关键层发生复合破断或呈大跨度的悬顶破断，造成关键层破断结构滑落

4、失稳而切落。根据工作面压架位置附近的补 4 钻孔（如图 3）可以看出，煤层上覆顶板岩层中存在两层硬岩层，且处于下位的那层硬岩层（ 16.02m 中粒砂岩）为关键层。根据岩层控制的关键层理论及覆岩破断运动的一般规律，此种关 键层结构条件下极易发生两层硬岩层的复合破断，从而发生滑落失稳而切落，造成工作面压架的发生。而判断3次31201 综采面此次的 3次压架是否为该原因造成，可从这 3 次压架时工作面对应的来压步距进行判断。若 压架时对应的来压步距均较长（ 20m 左右），则极有可能是此原因造成。原因二：上覆房采煤柱超前失稳造造成煤柱上方关键层破断结构反向回转而发生滑落失稳由于上覆 22 煤采空区

5、遗留有大量的房式煤柱，当下部31 煤层工作面开采时，受采动的影响，上覆房式煤柱极31 煤有可能受采动影响而发生失稳崩塌，从而造成上覆岩层的大面积垮塌，导致冲击载荷的出现，最终引发 工作面压架的发生。此过程可用图 4 所示的示意图给予解释。（a）关键层超前破断（b）房采煤柱超前失稳图 4 上覆房采煤柱超前失稳致灾机理图当工作面上覆关键层发生超前破断时，工作面随即进入来压状态；随着工作面的不断推进，作用于煤壁前方的超前支承压力也不断加大并作用于上覆遗留的房采煤柱上，如图4a。由于房采煤柱的支撑载荷的能力有限，受此超前支承压力的影响部分房采煤柱将可能发生失稳破坏而逐渐垮塌，从而造成其上关键层发生超前

6、破断，形A、C块成块体C,如图4b所示。此时，工作面上方的破断块体A则会随块体 C一并发生反向回转，从而减小体铰接处的铰接力；若上覆载荷较大或支架阻力不够时，将造成A 块体结构的滑落失稳，从而导致下部B 块体沿断裂线切落，引发压架。原因三：工作面岀集中煤柱边界后（见图5a），受2-2煤基本顶破断块体结构A的影响，其将上覆岩层载荷转移至前方的房采煤柱上方，导致房采煤柱所受的集中载荷进一步加大，相继出现一定程度的压缩下沉及塑性破 坏，因较大范围内的房采煤柱均出现明显的压缩下沉，致使顶板基本顶呈现三边固支、一边简支的板结构初次5c），最终造成工作面发生压架事故。破断形式（见图5b），破断块体结构 B

7、、C的反向回转进一步加剧了煤柱的破坏程度，将上覆载荷传递于层间 3-1 煤层基本顶，致其破断块体结构发生滑落失稳（见图a)31201 工作面岀集中煤柱边界（b） 31201 工作面进入房采采空区下c)31201 工作面压架31201位置外侧 60m 和 81m 处。工作面压架后地面裂缝发育位置见图6，压架位置正上方对应的地表无明显裂缝，两条台阶裂缝在压架三）地面钻孔多点位移计观测在 22 煤上覆基岩层布设多点位移传感器，建立岩层内部观测站，以研究31201 工作面采动影响下 22 煤上覆岩层的下沉规律。从地面向岩层内部施工 4个钻孔，沿工作面推进方向间隔 30m 在集中煤柱两侧布置，其中在集中

8、煤柱上方布置zk3、工作面侧布置 zk1和zk2、大巷侧布置zk4钻孔，在各钻孔内部不同深度上设置6个观测点（距孔口距离分别为:61m、 66m、 68.4m 、 71.5m 、 75.4m 、78.4m ）。四）地表沉降观测在工作面隔离煤柱前后方地表沿工作面倾向布置10 条岩移观测线，每条测线布置 5 个观测点，通过对地表裂隙及沉降的观测，判断 31201 工作面推进过程中 22煤及 31 煤顶板下沉破断情况。五）其它措施结合 31201 综采面成功通过上覆集中煤柱经验，后续综采面31202、 31204 面过上覆集中煤柱除采取上述防治手段外，还采取了缩短工作面长度及地面强制爆破煤柱措施，减

9、小覆岩运动对工作面的破坏范围和影响程度。31202-1 面 180m，31202-2 面 160.2m。31202 面原设计长度 367m ，新掘进两条巷道将工作面分为两个面，31204 综采面采用从地面打孔强制爆破集中煤柱解危措施。在集中煤柱内布置2 排深孔爆破，孔径 190mm ，装药密度 28.34kg/m ，炮孔装药长度煤柱内为 11.6m ， 22 煤顶板上 10m ，黄土充填高度不小于 6m ，总充填高度不小于 14m 。五、事故经验教训通过对两个长、短工作面设备可靠性观测结果分析，可知缩短后的31202-1 工作面设备可靠性比长工作面31201 工作面高，并基本能够满足生产需求。

10、通过对来压步距、来压持续长度、来压期间释放的能量进行综合分析，可知缩短后的明显弱于未缩短的 31201 工作面。其来压强度关系分别为以下两个方面：31202-1 工作面来压强度从 31201 工作面各个区域的不同来压显现规律可以得出长工作面每个区域的来压强度关系为：过集中煤柱后次大面积来压强度 2-2 煤房柱式采空区回收率较低区域来压强度过柳根沟上坡段来压强度过集中煤柱前后平时区域来压强度。从 31202-1 工作面各个区域的不同来压显现规律可以得出短工作面每个区域的来压强度关系为：过房柱式采空区段来压强度 过旺采区段来压强度 过长壁采空区段来压强度 过实体煤段来压强度。三）通过钻孔应力计监测

11、数据可知，工作面超前支护的距离为25m 是可行的。（四）从RTK监测的各项地表特征数据可以看岀，在上覆煤层为房采区、综采区和旺采区的区域起动距明显大于上覆煤层为实体煤的区域起动距，其他各项指标也呈现类似特征。由于RTK测量的误差较大，上述指标无法得到精确的值。因此在本项目中主要用来确定疑似采空区的区域是否存在采空区；同时监测房采区岀现超前塌陷后的影响范围，从而确定开采时的安全区域；并且也可以作为爆破治理有效程度的检验措施。五）通过数值模拟研究、现场监测和支架适应性分析可知：对于工作面过集中煤柱时产生的动载矿压，目前 没有一个支架能拥有抵御如此强烈动载矿压的支护能力。因此遇到危险系数较高的煤柱需

12、要采取治理措施，对 危险性系数相对较低的煤柱也要利用微震监测手段进行实时预警，才能保证现场作业安全。六）通过力学分析，在改进传统台阶岩梁结构的基础上，对不能形成砌体梁结构的铰接岩块提出了单回转岩块结构。基于该结构中回转岩块B 的受力情况，建立了支架工作阻力的计算模型。根据实体煤下、房柱式采空砌体梁 -单区下、过上覆房柱式采空区集中煤柱期间综采工作面的地表岩移特征和矿压显现规律，分别提出了 回转岩块 ”结构、 “小错位砌体梁 -单回转岩块 ”结构和 “严重错位砌体梁 -单回转岩块 ”结构，并解释了三种不同开 采结构下的不同矿压显现规律形成特点。结合钻孔多点位移计观测数据和顶板结构特点，利用单回转

13、岩块结构 分别对三种不同顶板结构进行了支架的合理工作阻力计算，并根据支架工作阻力频率分布统计和现场压架时的 压力表观测数据验证该支架工作阻力公式的正确性。并指出在过上覆房柱式采空区集中煤柱期间，由于通常影响到的失稳岩块层位更高，重量更大，容易导致现有最大工作阻力的支架都无法满足其支护要求，因此对于此 类情况一般需要采取爆破等治理措施进行压架事故的防治。七）本项目中的微震监测采用“地表 -井下联合布置方案”，根据每天微震事件数量和、总能量及多次矿压监测 结果，结合多次上覆岩层大范围运动的宏观观测结果，总结得出了以下规律：31201工作面3-1煤周期来压的预警指标为微震事件数量达15个以上，总能量为 4.2 X 105J2-2煤顶板岩层来压12个，能量为3.5 X 105J旺采的预警指标为数量达31个以上，总能量为8.0 X 105。31202-1 工作面动压预警指标在房采采空区阶段，微震监测动压预警指标数量为采空区阶段，微震监测动压预警指标数量为6个，能量为2.0 X 105。微震监测系统成功指导了石圪台煤矿 31201 和 31202-1 工作面的安全生产，不仅确保了工作面的安全