大采高煤层顶板控制管理

张旭东

摘要：大采高虽然有利于煤层开采，但由于采高较大，采面两侧煤壁会承受较大的矿压，因而导致顶板的稳定性相对较差。随着采高的增加，顶板管理的难度也随之增大。特别是在软煤区更是如此，顶板管理的难度非常大，顶板事故中60％~70％的事故都是发生在软煤区。如果对顶板管理不到位，处理不及时的话，发生顶板事故的可能性会很大。因此，需要分析和掌握大采高工作面顶板受力情况和掌握顶板规律，采取有效的顶板管理措施，才能最大可能地降低顶板事故发生的可能性，保证矿井安全生产。

关键词：大采高；顶板；控制管理

在煤矿井下开采中，顶板事故是比较常见的事故危害，对矿井安全生产危害极大。据统计，在煤矿安全生产事故中，顶板事故占到了将近四成，严重威胁到井下人员和设备的安全。顶板事故的发生与开采区域岩体构造、开采方式、顶板管理措施等因素密切相关。为了保证开采过程中顶板的安全稳定，采取科学的支护方式和加强顶板管理是非常重要的。目前，很多煤矿都采用的是综合机械化的采煤方式以提高煤炭开采效率。而为了配合机械化综采，则需要适当加大煤层的采高。大采高综合机械化采煤具有单位产量高、搬家次数少、适用范围广、生产成本低等优点，实现了较厚煤层一次采全高，提高了煤炭资源回收率。大采高虽然有利于煤层开采，但由于采高较大，采面两侧煤壁会承受较大的矿压，因而导致顶板的稳定性相对较差。随着采高的增加，顶板管理的难度也随之增大。特别是在软煤区更是如此，顶板管理的难度非常大，顶板事故中60％~70％的事故都是发生在软煤区。如果对顶板管理不到位，处理不及时的话，发生顶板事故的可能性会很大。因此，需要分析和掌握大采高工作面顶板受力情况和掌握顶板规律，采取有效的顶板管理措施，才能最大可能地降低顶板事故发生的可能性，保证矿井安全生产。

一、大采高煤层顶板易发事故分析

大采高是与综合机械化采煤相适应的一种采煤方式，通过增加采高而使综采机械设备得到发挥，提高单位产量和开采效率。但与此同时，采高的增加也降低了煤壁和顶板的稳定性，使得顶板事故更加频发。科学的支护措施也就成为了大采高煤层减少顶板事故的关键。大采高一般采用“带压移架”及时支护，使支架上方直接顶保持完整。通过支架足够的初撑力和工作阻力来承担矿山压力，以尽量减轻煤壁承受的矿压，保持煤体稳定。大采高煤层顶板易发事故类型主要有以下：

1. 局部冒顶

回采在一定程度上破坏顶板的完整性和稳定性，再加上支柱的支撑力不足，导致直接顶和老顶缓慢下沉。当顶板的下沉量达到其断裂条件时，顶板便无法支撑下沉部分的重力作用，开始出现顶板的断裂下沉，即造成工作面顶板的切顶现象。在支护不到位的情况下，顶板即自行冒落，形成局部冒顶。

2. 煤壁片帮

工作面回采后，顶板的原始应力被破坏。为了达到新的应力平衡的状态，顶板会发生一些变形和位移从而使压力重新分布。采空区的顶板受到工作面煤壁的支护和上下巷道煤体的支护。采空区老顶和直接顶缓慢下沉，顶板自身的重力会更多地施加在支柱和煤壁上。进而导致煤壁被压松软，支柱下陷入地板，即形成了工作面煤壁的片帮等现象。

3. 台阶下沉

由于回采破坏了顶板，并导致顶板的缓慢下沉和应力的重新分布。在这个过程中，下沉顶板的重力作用在上下两巷道和煤壁的煤体上，此处煤体所承受的压力逐渐增大。如果此时支柱的强度和支撑力达不到支护的要求，顶板就会逐渐发生下沉和形变。当这种形变达到一定程度时，顶板本身的强度便无法支撑顶板下沉的压力作用，而在煤壁与铰接梁的交接线上折断，导致了顶板形成了台阶下沉。

4. 大面积冒顶

冒顶的受力机制与上述几类顶板事故机制是一样的。在顶板的整体性较好和比较完整情况下，顶板整体的动力势能也较大。如果此时支柱的支撑力严重达不到支护的要求时，必然会导致顶板的旋转或是折断失稳。在支护措施不到位，支护强度不足的情况下，便会导致倒架或是歪架的情况，在巨大的顶板压力作用下，顶板的大面积冒落也就难以避免了。

二、顶板管理措施

大采高在构造复杂、煤质松软等条件的影响下，顶板压力比较强烈。为了保证顶板安全稳定，必须在生产中坚持跟顶回采，保持顶板完好、平整，做到不掉顶、漏顶。工作面两端头顶板支护要安全可靠，以保证行人安全和工作面良好、足够的通风空间。为回采创造良好的条件。工作面回采工艺流程为：斜切进刀>打三角煤>割煤>移架>推溜>斜切进刀。采煤机割煤后，煤层上部顶板露出。此时，及时将支架的伸缩梁伸出护住煤顶，煤帮用护帮板保护。为减少空顶时间，应采用带压移架，并将互帮板打至煤壁。顶板管理措施主要有以下：

1、回采面内顶板管理

（1）矿压观测及预报观测

液压支架安装时，要采用综采支架压力仪对液压支架工作阻力进行测定。至少要在工作面布置5条侧线，安装10块以上的压力表，对支架前后立柱的初撑力、末阻力、工作阻力等数据进行测量。掌握工作面支架增阻、顶板压力大小等状况。对于单体支柱工作阻力的测定，可以每隔3~5m，在运输顺槽和轨道顺槽内布置液压式单体支柱测压仪对其进行测定。通过对支架工作阻力的测量和观测，及时准确地掌握顶板初次来压步距、周期来压步距等工作面及两巷矿压显现和变化规律，科学合理地进行两端头和工作面的顶板管理。

（2）控制割煤工艺

采煤机司机应密切观察工作面顶板压力变化，根据煤层厚度、直接顶岩性等各方面因素，合理掌握顶煤留设厚度。同时，还要在割煤过程中合理控制采煤机的割煤速度。为了保证支架接顶效果和架形的合理，应根据顶底板的平整度合理调整平衡油缸。并根据地质构造、顶板变化等情况合理调整采高，保证过渡平缓。

（3）及时移架，支护快速接顶

移架时应采用“带压移架法”及时拉架，快速组织推进，减少空顶时间和保证液压支架端面距最小。首先将支架立柱快速下降，在支架顶梁与顶板稍有距离时，即停止降架并立刻推架，使支架顶梁擦着顶板向前移动。前移支架一个步距后，停止拉架并迅速升起支架，确保初撑力大小。在顶板比较破碎的情况下，可以采用快速接顶的办法；或者是采用超前拉架的办法，稍降支架，将支架快速拉出顶到煤帮上。

2. 端头顶板管理

大采高工作面端头煤壁三角处因受工作面及两巷采动影响较大，因而在此处顶板压力比较集中。特别是在软煤区和破碎顶板区域，发生掉顶片帮的可能性更大。因此，对于端头顶板的管理要十分重视，要在端头煤壁三角处架设顺山棚和斜跨棚。用工字钢在跨工作面机头、机尾处设双排挑棚，一梁四柱，随机头、机尾交替迈步前移。在受锚、网、梁支护影响较大的上下隅角部位，由于收角后上下隅角不能及时充分冒落。可提前在工作面煤壁超前5m将锚索退锚。用材料充实上下隅角，并用单体在上下隅角切顶线部位，加补密集切顶点柱。

（1）及时养护，准确操作

应配置专人对端头支架进行巡检和维护，保证管线、电缆等完好无损。前移端头支架时，要先检查顺槽支护情况，保证支架可靠。升降架和移架过程中，应注意观察支架与桥式转载机是否存在卡滞现象，如果存在卡滞等异常情况，则必须在处理后方可进行拉移。移架时为了保证安全，人员在操作支架时不得将头部或是身体其他部位伸出支架。升起支架后，应先观察几分钟，确定架间无漏矸现象后再快速通过，以防止架间漏矸伤人。

（2）密切观察采空区垮落情况

端头支架是整个支护体系中受力比较集中的部位，承受着较大的顶板压力。因此，在生产过程中要密切观察端头支架的受力情况。特别是要注意有无压架甚至垮架的风险。当压力较大时，要尽快采取加刀方式和尽快移动端头支架，防止支架压死。为防止端头支架护帮板误动作伤人，需要对护帮板全部执行上锁管理。作业人员还要密切关注采空区顶板垮塌情况，发现顶板有要垮落迹象的，需要及时向管理人员报告，采取加强支护或是放顶等有效防护措施，以消除顶板坍塌的风险，防止顶板突然垮塌而形成坍塌风暴造成人员、设备损失。在回采的过程中，还要根据端头出口情况，对综采面端头及出口的支护方式进行修改、补充和加强。以确保端头支架安全稳定。

2. 超前支护管理

（1）编制顶板支护专项措施

回风顺槽使用超前迈步支架时，拉架后存在片帮伤人、顶板掉落活块等隐患，因此对于此区域的安全管控要十分注意。主运顺槽顶板应采用锚杆、锚索加金属网联合支护的方式，超前支护顶板采用专用锚索。超前支护最好采用支撑式液压支架支护顶板。推采过程中，对于破碎顶板或是顶板压力集中的部位，应优化支护方式，提高支护强度和支护密度。通过更换高阻力巷道支架支护或是补强大直径高阻力锚索支护等方式，加强支护。

（2）审帮问顶，巡查到位

打设或是回撤支柱时，必须同时保证三人作业，两人操作、一人监护。所有监护和操作人员必须站在支护可靠、顶板完好的位置。回采至联巷附近时，司机应多注意观察联巷范围内的顶板变化。发现顶板存在破碎、失稳等不安全因素时，及时向跟班班长报告，以采取措施加强支护。在采面推进的过程中，必须要严格执行审帮问顶制度，安排专人使用工具对两顺槽超前综采面200m范围内顶板情况进行全面检查，以清除顶板浮矸；对存在冒顶和片帮风险的区域，要及时处理消除事故隐患。

（3）提前预防，及时强化支架

当综采面两顺槽经过的顶板区域存在断层、破碎、冒顶和严重底鼓等情况时，必须制定专项的安全技术措施。跟班班长和技术员负责观察顶板、底板和两帮情况，及时读取和分析顶板离层仪器的数据，及时了解顶板、底板、两帮的受力状态和变形情况。当顶板出现明显下沉，两帮和底板出现片帮、底鼓等情况和倾向时，必须要及时采取支护补强措施。超前支护范围之前已经打开的联巷密闭，必须设置栏栅或是采取临时的封闭措施，并悬挂醒目的警示标识，以限制人员出入和起到提醒警示的作用。两顺槽必须要有备用的支护材料，柱帽、柱靴等备用单体数量应不少于在用单体总数的10％。同时，还要定期检查单体的承压情况，每周进行一次压力试验，每天进行简易排查，以确定单体良好的使用状况。

2. 顺槽安全出口管理

跟班班长必须要及时准确地测量综采面推进度，并观察上下安全出口的宽度，通过调整综采面以保证行人通行。定时清理上下安全出口的顶板浮矸和煤壁片帮，同时要加强破碎顶板区域的支护，将超前30m范围水沟内的石子等杂物清理干净。所有人员在通过上下安全出口和出入综采面时，必须要先观察顶板和两帮状况，确认安全后方可通过。每班对上下安全出口情况进行观察，如果安全出口出现变窄的趋势时，必须及时通过加甩刀调整出口，及时采取措施处理刮卡，并设置警戒。

2. 软煤区过断层时的顶板管理

过断层期间，工作面煤岩结合部是顶板事故多发部位，顶板管理存在较大难度。除了正常的顶板管理方式外，还要采取一些有针对性的顶板管理技术措施。一是要控制采高，减少破顶量和破顶范围。在工作面推进至距离断层面10m时，应采取仰采或是俯采的方式逐步降低工作面采高。进入到断层带时，必须严格采高在规定范围内。二是要快速擦顶移架，减少空顶时间。拉架的错茬距离在工作面顶板破碎段，应不小于15m，以保证顶板的完整性。三是要规范作业，在断层影响范围内，只准一茬拉架，其他茬不得拉架。以此来保证移架时液压系统对顶板的支护效果，为快速移架创造安全稳定的条件。四是要及时处理顶板事故。立即处理工作面出现的掉顶、掉渣现象，以防止事故扩大。同时，为了便于及时拉架支护，可在片帮吊顶处多进刀。如果工作面发生比较严重的冒顶事故，影响工作面推进时，可采取架棚的方法管理顶板和煤壁。

2. 更换大件时的顶板管理

更换采煤机大件，应将采煤机提前停放在顶板完好处，支架留出步距。煤帮和护帮板位置，可用半圆木进行保护和加固，使用支架护帮板将其严实地抵在煤帮处。更换支架前探梁和顶梁时，在降下支架的过程中会出现较长时间的空顶，存在较大的安全隐患。对此，可采用圆木保护的办法，在检修支架的两端支架上架圆木。为保证有效保护检修支架上方顶板，需要将圆木合理搭接在两侧支架上。

参考文献：

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［2］邵洪杰.大倾角大采高“三软”煤层综采面安全高效开采技术［J］.《中国新技术新产品》2014（12）134-137

［3］师黄伟，王向楠.“三软”煤层高档普采工作面顶板管理实践［J］.《内蒙古煤炭经济》2013（9）108