3510工作面已回采放顶46m,对普采工作面冒顶事故

作者:新闻资讯

摘要:文章对闸河煤田具有特殊性的5煤层顶初次垮落机理进行了分析、探讨并制定了顶板管理的对策措施。 关键词:老顶垮落;机理;探讨与对策 1问题的提出 5煤层是淮北矿区闸河煤田中南部矿井的主采煤层之一,据技术资料统计,5对矿井已回采了130余个5煤层工作面,其老顶初次垮落步距都在12~22m之间,80%以上集中在14~18m,属于较破碎、易垮落的顶板。但是,近几年来随着矿井开采深和火成岩侵蚀的影响,南部两对矿井相继出现了几5煤层工作面老顶初次垮落步距大幅增大到38~48m的情况,特别是3510工作面老顶初次垮落险些酿成重大顶板事故的使我们警醒!向我们提出了对这种具有特殊性的老顶初次垮落机理进行探讨、认识、搞好顶板安全技术管理的问题。 工作面概况:3510工作面位于351采区中部二区段,上限标高-283.6 m,下限标高-344.8m,位于其上的4煤层因火成岩侵蚀严重而不可采,大面积侵入的4煤火成岩床构成了工作面上分层老顶。工作面倾斜长壁布置,放炮落煤,煤厚为2.0~3.4m平均厚2.8m,采高2.3m,倾角8°~12°,煤层赋存状况较稳定。工作面走向长390m,倾斜长157m,支护采用DZ25-25/100单体液压支柱,HDJA-1000金属铰接顶梁,支柱穿直径300mm塑钢柱鞋,棚距600mm,设计支护密度1.67根/m2,支护强度为490kN/m2,三四排管理,放顶步距为1.0m,采空区处理采用完全垮落法。 垮落经过。2003年11月8日夜班,3510工作面已回采放顶46m。外观看,采空区距放顶线10m以外垮落、充填比较充分(上端头附近20m垮落不充分),放顶线10m内悬顶达1500m2。当班放炮后正在攉煤、挂梁,在没有感觉到矿压异常的情况下,工作面突然来压,采空区顶板瞬间大面积切断垮落,顶板垮落挤压出的采空区暴风把腰巷距回采线10m处的一道简易反向风门冲垮,将距上出口20m处面向老塘取料的工人朱某仰面冲倒(事后分析朱某恰好在出风口位置),暴风刮起的煤矸微粒嵌入朱某面部浅表面,造成发毛细血管破裂。突然显现的冲击地压还造成工作面1/3的单体液压支柱三用阀被压坏漏液、10多根单体液压支柱被压折断、铰接顶梁被压成扁铁状,后两排支柱普遍钻底500~900mm。 由于事发前对老顶垮落的困难和危害有所预见,管理上始终保持了高度的警惕,初次放顶安全技术措施执行严格,支柱初撑力基本都保持在80~90kN以上,放顶线全承载切顶支柱、单排挑棚齐全正规,才没有引发压垮工作面,造成更大的事故及损失。 2对老顶初次垮落机理的探讨分析 2.1老顶的界定 根据工作面地质资料,有一种观点:把煤层上覆的1.0~1.5m厚泥岩及4.7~5.2m厚的中细粒砂岩共同划分为直接顶,依据是砂岩之上有一层0.1~0.5m天然焦形成的弱面。笔者不同意这种划分,而认为:4.7~5.2m厚的中细粒砂岩顶板应属于老顶的一部分,一是其厚度>1.5~2.0m;二是岩性坚硬,在采空区悬顶长度大大超过2.0m而不跨落。所以,3510工作面的老顶应该由2部分构成:一部分为4.7~5.2m厚的中细粒砂岩及上覆的天然焦,另一部分为7.4~11.2m的浅绿色闪长岩。 2.2垮落带与裂隙带的确定 由于直接顶厚度仅1.0~1.5m,远不足采高的2~3倍,而2部分老顶的分层厚度都在5m以上,属于厚层难冒顶板,需要悬露相当大的面积后才会垮落。因此层位、岩性不同决定了其在断裂、旋转、下沉、垮落触矸的顺序,程度不同,显而易见:下分层老顶先于上分层老顶断裂、垮落;相对而言,下分层老顶处于垮落带,上分层老顶处于裂隙带。 2.3老顶垮落机理的探讨分析 通过对3510工作面初次放顶全过程的监测数据处理,分析,发现其老顶垮落分为4个阶段如表1,并具有以下机理: 表1工作面压力显现统计表 见表 回采2m后,泥页岩直接顶开始冒落,当放顶6~7m时,直接顶自上而下全部垮落,老塘充填高度1.5~2.0m。直接顶上部岩体没有断裂、下沉的迹象(8~10m后开始缓慢弯曲下沉)。 回采14~16m时,下分层砂岩顶板开始有较明显下沉并伴有断裂声响,但没有发生垮落;工作面后2排支柱有矿压显现,支柱工作阻力8~12Mpa,顶底板移近量50~100mm/m,回采17峒之后恢复正常。分析认为:这次来压是下分层老顶的初次来压,是下分层老顶双支点岩梁跨度达到一定跨距时,产生的断裂、下沉,这时下分层砂岩顶板与上分层老顶开始离合,上分层老顶仍然完好,在采空区上方呈双支点岩梁状态,没有产生位移和形变,对工作面不构成任何压力。 当回采到30~33m时,下分层老顶在距放顶线10m外开始切断,垮落,10m范围内顶板下沉加剧,全工作面矿压显现非常明显,支柱工作阻力从煤壁到放顶线达14~20Mpa,顶底板移近量120~200mm/m不等。分析认为:这次垮落是下分层老顶的初次垮落,同时也是上分层老顶弯曲、断裂下沉,把自身及上覆岩体的重量叠加传递给下分层老顶岩体的结果。这时上分层老顶仍然没有垮落(下部天然焦可能垮落),而是弯曲、下沉触矸而形成砌体梁,在距放顶线10m范围内下沉岩体的部分压力造成了支架工作阻力和顶底板移近量的增大。 当回采到46m时,出现了在没有显示征兆的情况下顶板瞬间大面积切断垮落,支柱工作阻力骤增到25~40MPa,顶底板移近量增大到200~400mm/m的情况,大面积切断垮落的顶板和骤增的冲击地压还造成了支柱三用阀、单体液压支柱、铰接顶梁折损,人员、通风设施被采空区挤出的暴风冲倒、损伤。分析认为:这次垮落才能视为老顶双支点岩梁跨距达到了受力极限状态,因放炮震动或某一次断裂时,垮落的岩体一部分触矸得到支撑形成新的力平衡,而距放顶线约10m范围内的岩体的全部压力通过下分层老顶悬露岩梁全部传递给了工作面支架和煤壁。 3顶板管理的对策措施 回采前,有关部门要掌握完整、准确的工作面顶板数据资料,以利于在技术、完全管理上制定、采取针对性措施。有条件的矿井可以考虑回采前通过高位巷道打钻注水,软化顶板,以利于回采时老顶垮落。 回采中,有条件的矿井对厚层难冒项板应该采取钻眼爆破或强制放顶措施,促进老顶垮落。 支护上必须坚持“初撑力第一,支、护、稳并重”的原则,适当增大支护密度,保证支柱有足够的初撑力,支架有足够的支护强度。同时必须保持齐全正规的全承载切顶支柱和单排挑棚,防止老顶落压垮工作面。 现场管理中要正确判断、区分各分层老顶初次来压、垮落的情况,切不可因混淆不清而发生管理失误,要特别重视回采30m之后到老顶初次完全垮落前的安全技术管理。 对老塘瓦斯大、直接顶冒不充分、老塘悬顶空间较大的情况,必须采取有效的瓦斯治理措施,防止顶板垮落时引发瓦斯事故。 实践表明回采时顶板铺设塑料网(网格30mm×30mm),到老塘悬下之后可以缓冲老顶大面积垮落时采空区暴风造成的危害。 (徐明新)

1 直接顶初次放顶时的冒顶事故原因分析和预防

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2.3 事故案例

煤层在开采之前,它同岩层在各个方向受力是平衡的,掘出开切眼后,岩层受力平衡状态遭到破坏,围岩移动变形,寻求新的应力平衡,在顶板上方形成了暂时平衡的岩石松动圈,这时工作面支架主要支撑的是松动圈内岩石重量。工作面开始回采,向前推进,松动圈逐渐扩大,支架受力很快增加,这时如不采取措施,岩层就会压垮支架,以致发生冒顶事故。因此,一般在开切眼推进6 m~20 m后,就及时撤回采空区支架,直接顶随回柱而垮落,这就是初次放顶。如果顶板岩石不自行垮落,要向采空区顶板打眼放炮进行“强制放顶”。直接顶初次放顶的特点有:一是工作面控顶面积较大,支柱较多,承受的压力也较大;二是初次放顶时,一次回柱范围较大,顶板冒落范围也较大;三是回柱时人工操作量大,时间较长。

关键词:普采工作面;冒顶事故;安全生产

案例2:某矿2303普采工作面,直接顶为石灰岩,厚2 m~3 m,节理发育,老顶为石灰岩粉砂岩互层。事故经过为,出完一刀煤后,工作面正从机头向机尾回柱,回到工作面中段接近老巷处,发现几棵支柱钻人底板50 cm,改用铰车拉柱,支柱刚拉倒,整个顶板(长18 m,宽7.2 m,厚6 m),将支柱推倒(倒向煤壁),发生在冒顶,造成4人死亡。事故原因:一是顶板支护质量低劣,在煤壁侧发现顶板矿压显现有裂缝痕迹,未采取及时有效措施,仍盲目组织放顶,造成工作面大面积推垮型冒顶;二是组织措施不力,措施编制针对性不强,工作面单体液压支柱有个别漏液现象;三是初采初放责任制不落实,违章指挥、违章作业。

加强支护质量与顶板动态监测。支护质量与顶板动态监测是预防管理科学之一,通过对采煤面各部位顶板动态、支护质量和不安全因素及其变化规律进行监测和预报,及时制定可行的防范措施,可做到有效地控制顶板。

初次放顶时,选择有经验的工人操作,并且有技术人员现场指挥;

支柱要按要求支设,保质保量,使支柱都能达到设计的初撑力和支护阻力;

回柱方法不合理,造成顶板压力向局部支柱集中,造成局部顶板破碎,而容易发生局部冒顶事故;

2 老顶初次来压和周期来压时的冒顶事故

直接顶初次放顶后,如果直接顶垮落不能填满采空区,老顶就像“梁”一样架在两边煤层上,并支撑着上面的岩石重量,当工作面继续推进,老顶悬露面积越来越大,当超过它本身强度,梁的平衡受到破坏,老顶折断垮落,它给工作面一个很大的突然压力,即老顶的初次来压。老顶初次垮落后,随工作面继续推进,老顶呈悬梁状态存在,当悬臂长度达到一定长度时,折断垮落。随工作面推进,这种垮落有规律,周期性地发生,称老顶的周期来压。

工作面支护强度不够或刚性支护(如木支柱),老顶来压时,压垮工作面,造成事故;

加强矿井顶板管理的基础工作。认真编制合理的作业规程,严格作业规程的实施。编制作业规程时,应充分利用地质预防和矿压观测得到的基础资料,做好工作面的支护设计和制定顶板管理措施,并切实贯彻执行有关技术政策和先进技术,保证其科学性和针对性,同时还要根据生产条件和地质变化及时制定相应补充措施。组队要认真学习作业规程,并按规定进行考核,按作业规程作业。

1.2 初次放顶时发生冒顶事故的原因

支护设计应做到:第一,支架的支护特性与顶底板条件相适应。急增阻摩擦支柱适用于顶板下沉量小于100 mm、高度1.3 m以下的缓斜煤层;微增阻摩擦金属支柱可用于顶板下沉量小于400 mm的缓斜或倾斜中厚煤层;单体液压支柱可用于顶板下沉量小于600 mm的缓斜或倾斜煤层.另外不同工作特性的支柱不能在同一工作面混用或分段使用。第二,确定合理的支护参数和布置方式。支护强度和支护密度是单体支柱工作面最重要的支护参数。支护强度较小,会引起大面积冒顶或顶板台阶下沉,易引发顶板事故。支护强度过大也带来支架成本高,支设和回柱工作量大等缺点。有些情况下,过大的支护强度使支柱对老顶处于“限定变形”的工作方案下,老顶来压时给直接顶较大的压力,从而使直接顶破碎而引起冒顶。因此必须针对每个工作面,根据顶板具体条件,通过计算确定合理的支护强度和支护密度。单体支柱工作面基本支护的布置方式应根据顶板条件确定:不稳定顶板采用齐梁齐柱加临时贴帮柱(或超前梁布置);中等稳定顶板采用齐梁齐柱或错梁齐柱等布置;稳定顶板可采用带帽点柱布置。特种支护起着增强工作面支撑力和稳定性,提高切顶和挡矸效果的作用。密集支柱一般在Ⅱ级以上老顶条件下使用;在老顶初次来压和周期来压时,要用戗棚、木垛或增加支护密度等措施。

支柱未按要求支设,初撑力不足,造成顶板下沉量过大或支护阻力较小,回柱后造成工作面支柱撑不住顶板而发生冒顶事故;

加强矿井地质工作。采掘工作面的顶板事故有相当一部分是因遇地质变化而未能及时采取针对性措施引起的,做好地质预报工作,对降低顶板事故具有重要意义。

案例2:某矿高档普采工作面,直接顶为灰黑色砂质页岩,厚0.8 m~1 m,老顶为灰白色中细粒砂岩,厚5 m~8 m,初次放顶后,老顶明显不下沉,造成工作面内直接顶与老顶离层,当老顶初次来压时,沿煤壁切断直接顶。由于工作面沿伪斜向上推进,离层断裂岩层带动支柱向下滑动,推倒支柱(均沿倾斜向下并偏向采空区倒伏),形成恶性冒顶事故。事故原因:一是支柱阻力小,造成直接顶和老顶离层,以及来压时切断直接顶,使直接顶成为独立的“六面体”;二是没有防止老顶向下滑动的措施。

2.2 老顶初次来压和周期来压发生冒顶事故的原因

1.4 初次放顶时冒顶事故的预防措施

案例1:某矿2233炮采工作面,10#煤层厚1.8 m,老顶为白色石英砂岩,厚8 m,底板为铝土页岩,木支柱支护。当工作面推进距开切眼48 m时,老顶初次来压,从煤壁处强迫直接顶下切,压断支柱,造成大冒顶,死亡4人,伤2人。事故原因:支护能力不足,造成直接顶和老顶的离层,来压时老顶对直接顶形成动压冲击作用,发生冲击砸垮型事故;没有根据实际情况制定针对性的安全技术措施。

1.1 初次放顶特点

初次放顶时,力争一次放顶成功,使直接顶完全冒落后,才能继续采煤;

工作面工人,尤其是班组长必须掌握工作面顶板冒顶的预兆,一旦发现冒顶预兆,现场人员应迅速采取有效应急措施。

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