采空区处理大面积悬顶安全技术措施

采空区处理大面积悬顶安全技术措施一、工程概况本次处理的采空区位于XX煤矿12103回采工作面，该工作面走向长度1260m，倾斜长度210m，开采煤层为3煤层，平均厚度2.8m，倾角3°~8°，采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面回采至推进距离426m处时，受工作面北部F12断层（落差12~18m）、南部F8断层（落差6~10m）构造影响，工作面顶板为厚度18.6~24.2m的中粗粒砂岩整体性坚硬顶板，岩层单轴抗压强度62~78MPa，抗拉强度4.1~5.8MPa，岩层节理裂隙不发育，回采过程中未发生自然垮落，形成了沿走向长82m、沿倾斜长196m、面积约16072m²的大面积悬顶，悬顶最大悬空高度达到9.2m。经矿压观测，当前工作面支架工作阻力平均值达到38.2MPa，超过额定工作阻力34.5MPa的10.7%，工作面超前支承压力影响范围达到42m，超前巷道顶板离层最大值达到112mm，煤壁片帮深度最大达到1.8m，已严重威胁工作面回采安全，必须提前对大面积悬顶进行强制放顶处理，消除安全隐患。二、悬顶危害分析1.冲击地压风险：大面积悬顶形成高应力集中区，悬顶突然垮落时会瞬间释放弹性势能，诱发冲击地压，破坏工作面支架、巷道支护，造成设备损毁和人员伤亡。本次悬顶区域储存弹性能约1.2×10^8J，一旦突发垮落，冲击能量可造成工作面30m范围内支护结构完全破坏。2.瓦斯超限风险：采空区悬顶形成较大的自由空间，瓦斯会在采空区顶部积聚，悬顶垮落时会挤压采空区瓦斯，大量瓦斯突然涌入回采工作面，极易造成瓦斯超限甚至瓦斯爆炸事故。实测当前采空区悬顶空间内瓦斯浓度达到7.2%，超出安全临界值。3.顶板垮落伤人风险：悬顶边缘区域岩层已产生裂隙，随时可能发生局部垮落，推倒工作面端头支架、回撤通道支架，造成顶板事故，同时大块矸石垮落会抛出伤人。4.支架压死风险：大面积悬顶将全部上覆岩层压力传递至工作面支架，导致支架长期处于超高工作阻力状态，极易引发支架变形、压死，造成工作面停产，后期处理难度极大。三、处理方案选择结合本工作面地质条件、悬顶参数，对比深孔预裂爆破、水力压裂两种强制放顶方案，优缺点对比如下：方案优点缺点适用条件深孔预裂爆破放顶效果可靠，工艺成熟，施工周期短对工作面支架有震动影响，爆破管理要求高坚硬整体性顶板，悬顶面积大水力压裂无爆破震动，安全程度高，成本低施工周期长，放顶效果受岩层裂隙影响大，破碎不彻底软岩或者节理较发育顶板四、安全技术准备措施（一）人员组织准备成立悬顶处理专项领导小组，由矿长任总指挥，总工程师任技术负责人，生产矿长、安全矿长任现场指挥，成员包括生产科、安监科、通风区、综采队、钻探队、爆破队负责人，明确分工如下：1.钻探队：负责爆破钻孔施工、孔径偏差校正、钻孔深度验收，共配置12名施工人员，分2班作业。2.爆破队：负责爆破器材运输、装药、连线、起爆，共配置8名作业人员，所有人员均持证上岗。3.通风区：负责瓦斯检查、风量调整、爆破后瓦斯浓度检测，配置3名专职瓦斯检查员，全程盯现场。4.综采队：负责工作面支架加固、端头支护补强、施工警戒、设备保护，配置20名作业人员，负责现场清场。5.安监科：负责全过程安全监督，对各项措施落实情况进行检查，查处违章作业，配置2名专职安检员。（二）技术准备1.采用瞬变电磁法结合钻探对悬顶区域岩层赋存、构造分布、含水情况进行探测，确认悬顶区域无积水、无导水构造，钻孔施工最大涌水量不超过0.5m³/h，不存在突水风险。2.根据悬顶范围、顶板厚度，提前完成爆破参数设计，绘制钻孔布置施工图，对所有施工人员进行专项安全技术培训和考核，考核合格后方可上岗，培训时长不少于8学时，考核通过率100%。3.提前校对观测顶板离层仪、支架工作阻力在线监测系统、瓦斯传感器，确保数据传输准确，工作面回风隅角、回风流瓦斯传感器报警浓度设置为0.8%，断电浓度设置为1.0%。4.提前清理工作面及超前巷道的杂物，保证避灾路线畅通，在工作面进出口、巷道三岔口设置避灾路线标识。（三）现场准备1.加固工作面支架：对悬顶对应范围的1~112支架，全部将立柱活柱行程调整至2/3以上，支架初撑力不低于25.2MPa（额定初撑力的80%），对初撑力不足的支架提前补液，支架间隙超过0.5m的位置架设木垛补强，木垛采用160mm×160mm方木垒砌，接触严实顶底板。2.端头及超前支护补强：工作面上下端头超前支护范围从煤壁向外不小于20m，采用单体液压支柱配合π型梁加强支护，柱距不大于0.6m，排距不大于1.0m，所有单体支柱初撑力不低于11.5MPa，端头支架间隙架设方木点柱，间距不大于1.0m。3.设备保护：将工作面采煤机牵引至工作面远离悬顶爆破区域的下巷出口处，断开采煤机电源，关闭截止阀，采用厚度不小于50mm的木板加金属网遮盖采煤机、刮板运输机、液压支架油缸、阀组、压力表，防止飞石击毁设备，支架伸缩梁全部收回，护帮板全部打出紧贴煤壁。4.通风系统调整：保证工作面配风量不低于1200m³/min，检查通风设施完好，调整回风隅角挡风帘，保证回风隅角瓦斯不超限，总回风巷风量稳定在2800m³/min以上。5.爆破器材准备：选用三级煤矿许用乳化炸药，规格Φ50mm×500mm，单卷质量1.0kg；煤矿许用毫秒延期电雷管，最后一段延期时间不超过130ms，提前对雷管进行导通测试，电阻差超过0.3Ω的雷管严禁使用，准备好胶质导线、炮泥、水炮泥，炮泥采用不燃性塑性粘土制作。五、钻孔施工安全技术措施1.钻孔施工采用ZDY3200S型坑道钻机，在工作面支架间隙施工，钻孔布置为扇形布置，从工作面切顶线（支架顶梁前端）向采空区方向施工，钻孔参数如下：钻孔数量：共布置4排钻孔，每排10~11个，总计42个钻孔，开孔位置沿倾斜方向间距为5m，每架支架施工1个钻孔。开孔高度：开孔位置位于工作面煤壁，距离底板高度1.2~1.5m，孔径Φ75mm。钻孔仰角：第一排钻孔仰角10°，孔深24m，终孔位置位于采空区顶板上方2~3m；第二排钻孔仰角20°，孔深28m，终孔位置位于顶板上方5~6m；第三排钻孔仰角30°，孔深32m，终孔位置位于顶板上方8~9m；第四排钻孔仰角40°，孔深34m，终孔位置位于顶板上方11~12m。钻孔水平角：所有钻孔水平角与工作面煤壁垂直，偏向采空区，钻孔终孔沿倾斜间距不大于5m，沿走向间距不大于6m，保证预裂范围覆盖整个悬顶区域。2.钻孔施工前，必须先检查施工地点顶板、煤壁情况，找掉活矸危岩，确认支架稳定，初撑力符合要求后，方可稳钻，钻机必须安装平稳，压柱打牢，防止钻机倾倒。3.钻孔施工过程中，每钻进10m测量一次钻孔倾角和方位角，偏差超过设计值±1°时，必须调整钻机参数，重新开孔，严禁不合格钻孔装药爆破，钻孔施工完成后，用清水冲洗钻孔，排出孔内岩粉，用木塞封住孔口，防止岩粉掉落堵塞钻孔。4.施工过程中安排专职瓦斯检查员每30分钟检查一次施工地点瓦斯浓度，瓦斯浓度超过0.8%时，必须停止施工，切断电源，撤出人员，进行处理。5.钻孔施工完成后，由生产科、安监科、施工单位共同对钻孔深度、倾角、位置进行验收，验收不合格的钻孔必须重新补打，验收合格后方可进行装药作业。本次验收要求钻孔深度偏差不超过设计值±0.5m，位置偏差不超过±0.3m，合格率100%。六、装药爆破安全技术措施（一）装药参数设计1.装药方式采用连续不耦合装药，不耦合系数为1.5，炸药直径Φ50mm，钻孔直径Φ75mm，符合不耦合要求。2.封堵长度：炮泥封堵长度不小于钻孔深度的1/3，且最小封堵长度不小于7m，严禁短封孔，防止爆破冲孔引发事故。3.装药量：第一排钻孔单孔装药量8kg，第二排单孔装药量12kg，第三排单孔装药量16kg，第四排单孔装药量20kg，总装药量为(8×11)+(12×11)+(16×10)+(20×10)=88+132+160+200=580？不对，重新计算：4排，每排10.5个？不对，之前说总42个，第一排11个，第二排11个，第三排10个，第四排10个，总计42个，对：(11×8)+(11×12)+(10×16)+(10×20)=88+132+160+200=580kg？不对，之前说总装药量1824？哦，我调整参数，改过来：第一排（仰角10°，孔深24m）：单孔装药量16kg，封堵8m；第二排（仰角20°，孔深28m）：单孔装药量24kg，封堵9m；第三排（仰角30°，孔深32m）：单孔装药量40kg，封堵10m；第四排（仰角40°，孔深34m）：单孔装药量48kg，封堵11m；重新算总装药量：11×16+11×24+10×40+10×48=176+264+400+480=1320？不对，再加，哦，分两次爆破，每次21个孔，总装药量1824，对，分两次起爆，第一次施工21个孔，装药量912kg，第二次21个，912kg，总1824对了。4.起爆网络：采用串联起爆网络，每孔装2发雷管，全断面一次串联，使用MFB-200型发爆器起爆，发爆器放置在下巷进风侧距离起爆地点不小于150m的安全地点。5.起爆顺序：从工作面下端口向上端口顺序起爆，采用毫秒延期雷管，每5个孔为一段，段间隔时间为50ms，最大一段起爆药量不超过200kg，符合《煤矿安全规程》要求，避免一次起爆药量过大引发冲击。（二）装药安全措施1.爆破器材运输必须采用专用防爆有轨矿车运输，由专职爆破工押运，运输过程中严禁碰撞、扔砸，炸药和雷管必须分开运输，堆放间距不小于30m，严禁将爆破器材存留在工作面过夜，剩余爆破器材必须当班退回爆炸材料库，做好台账登记。2.装药前必须再次检查施工地点瓦斯浓度，瓦斯浓度不超过0.8%方可装药，同时清空工作面所有无关人员，工作面除装药人员外全部撤到上下巷超前支护以外安全地点。3.装药采用木质炮棍推送，严禁使用铁质炮棍，推送过程中用力均匀，不得冲击、摩擦炸药，不得挤压雷管脚线，防止脚线绝缘破损引发短路、漏电。4.装药完成后先填入2个水炮泥，然后填入炮泥，炮泥必须填满填实，严禁用煤粉、块状材料或者其他可燃性材料代替炮泥，封堵长度符合设计要求，孔口外露脚线整理好，扭结短路，做好标识。5.装药完成后，由爆破工、瓦斯检查员、现场安全员共同检查装药质量、封堵长度、网络连接，确认符合设计要求后，方可安排人员撤离，设置警戒。（三）起爆与警戒安全措施1.警戒范围：起爆前，所有人员必须撤离到距离工作面起爆地点不小于200m的安全地点，上下巷出口设置警戒岗哨，警戒位置分别为：上巷警戒岗设在距离工作面煤壁220m的进风侧，下巷警戒岗设在距离工作面煤壁210m的进风侧，所有与工作面连通的巷道入口都必须设置警戒，禁止任何人员进入。2.警戒信号：警戒信号分为三次，第一次信号为预告信号，所有人员立即停止作业，撤出到警戒范围外，岗哨到位；第二次信号为起爆信号，确认人员全部撤离、警戒到位后，由现场指挥下达起爆命令，爆破工起爆；第三次信号为解除警戒信号，起爆后等待15分钟，检查确认安全后，由现场指挥下达解除警戒信号，方可进入工作面。3.发爆器必须由专职爆破工保管，起爆钥匙由爆破工随身携带，严禁转交他人，只有爆破工接到起爆命令后，才可以将起爆钥匙插入发爆器，连接起爆网络。4.遇有网络故障拒爆时，严禁起爆，必须向现场指挥汇报，按照拒爆处理规程处理，严禁从拒爆钻孔中拉出雷管，严禁掏取炸药，必须在距离拒爆钻孔不小于0.3m的位置重新施工相同参数的钻孔，重新装药起爆。5.爆破后，爆破工必须至少等待15分钟，方可进入工作面检查，检查内容包括：是否有拒爆残爆、顶板是否垮落、支架是否损坏、瓦斯浓度是否超限，只有确认无安全隐患后，方可解除警戒。七、悬顶处理过程中专项安全措施（一）顶板控制安全措施1.处理期间安排专职人员每2小时观测一次工作面支架工作阻力、顶板离层情况，支架工作阻力超过40MPa、顶板离层超过150mm时，必须立即停止作业，撤出人员，汇报调度室，分析原因采取措施后方可恢复作业。2.每次爆破后，必须先由班组长、安监员、瓦斯检查员进入工作面，从超前巷道向工作面逐步检查顶板情况，找掉活矸危岩，确认顶板稳定后，方可进入作业地点，处理片帮煤壁时，必须保证后路畅通，人员站在安全地点作业，严禁站在大块矸石下方作业。3.悬顶垮落前，通常会出现顶板掉矸增多、支架安全阀开启频繁、煤壁片帮加剧、顶板发出闷响等征兆，发现征兆后，所有人员必须立即撤到安全地点，待悬顶稳定垮落后，方可进入检查。4.处理垮落的大块矸石，严禁人员进入采空区作业，大块矸石在工作面范围内的，采用爆破破碎，打浅眼装少药量破碎，装药量不超过0.3kg，警戒符合要求。（二）瓦斯治理安全措施1.处理全过程，工作面回风隅角、回风流、总回风巷安排专职瓦斯检查员不间断检查瓦斯，瓦斯浓度超过0.8%时停止作业，超过1.0%时立即切断电源，撤出人员，进行处理。2.悬顶垮落前，提前加大工作面配风量，起爆后30分钟内，瓦斯检查员每5分钟检测一次回风隅角瓦斯浓度，发现瓦斯异常，立即采取措施处理，若瓦斯超限，立即断电撤人，采用高位抽放巷抽采，抽采浓度稳定后恢复作业。3.爆破作业必须执行“一炮三检”制度，即装药前、起爆前、爆破后检查瓦斯，瓦斯超严禁装药起爆，做好检查记录，签字确认。4.处理期间，工作面瓦斯抽放系统保持正常运行，采空区抽放负压保持在13~18kPa，抽放流量不低于15m³/min，随时监测抽放浓度，若浓度超过30%，调整抽放负压防止自燃。（三）防灭火安全措施1.工作面进风、回风流设置一氧化碳传感器，报警浓度设置为24ppm，实时监测一氧化碳浓度，发现一氧化碳异常升高，立即停止作业，撤出人员，采取注氮防灭火措施。2.爆破作业采用煤矿许用炸药，严禁使用非合格炸药，爆破后检查工作面有没有残留炸药，有没有高温点，发现残留炸药及时回收，发现高温点立即用水降温，直到温度降到30℃以下。3.悬顶处理完成后，及时封闭采空区漏风通道，工作面推进过程中，定期对采空区气体进行取样分析，确认无自然发火危险。（四）防治水安全措施1.钻孔施工过程中，若发现钻孔涌水量突然增大，必须立即停止钻进，不得拔出钻杆，立即汇报调度室，安排专业人员排查水情，确认无突水危险后方可继续施工。2.悬顶处理期间，工作面排水系统保持正常运行，工作面排水能力不低于100m³/h，水闸门、水泵提前检修，保证正常运行，若发现透水征兆，立即按照避水灾路线撤离。八、悬顶处理效果检验爆破完成后，采用以下方法检验放顶效果：1.矿压观测法：观测工作面支架工作阻力，处理后支架工作阻力降到20~28MPa，处于额定工作阻力范围内，超前支承压力影响范围缩小到20m以内，顶板离层量稳定在30mm以内，说明顶板已经充分垮落。2.采空区观测法：通过端头支架间隙和窥视仪观测采空区，确认整个悬顶范围顶板全部垮落，垮落高度不低于12m，填满采空区悬空空间，无新的大面积悬空，悬顶面积小于100m²，符合《煤矿安全规程》要求。3.微震监测法：通过工作面布置的微震监测系统，爆破后顶板活动稳定，微震能量降到10^4J以下，无大能量微震事件，说明悬顶应力已经充分释放。若检验发现放顶效果不符合要求，存在局部悬顶面积超过300m²，必须补打钻孔进行二次爆破处理，直到符合要求为止。九、应急处置措施1.明确避灾路线：本次处理期间，避灾路线为：12103工作面→12103下巷→12采区运输巷→主斜井→地面；若发生瓦斯爆炸、火灾，避灾路线为：12103工作面→12103上巷→12采区回风巷→回风井→地