一、工程概況
工作面概況
石圪臺(tái)礦3-1煤二盤區(qū)回采區(qū)域內(nèi)上覆有本礦綜采采空區(qū)、天隆房采區(qū)和實(shí)體煤。31201工作面上方采空區(qū)為原天隆四盤區(qū)形成的2-2煤房采采空區(qū)。31201工作面與2-2煤層間距34.5～39m，平均38m。
據(jù)已有資料分析，上覆2-2煤房采區(qū)集中煤柱共有三組，第一組在距切眼330m處，寬61m；第二組集中煤柱在距切眼770m處，寬61m；第三組集中煤柱在距切眼1100m處，寬14m；其他區(qū)域均為房采采空區(qū)。
31201綜采工作面為3-1煤二盤區(qū)首采面，北側(cè)為3-1煤輔運(yùn)大巷，其余方向均為實(shí)體煤。工作面采用四巷布置，分別為主運(yùn)、輔運(yùn)和兩條回風(fēng)順槽，見圖1所示。四條順槽均沿煤層底板掘進(jìn)。工作面位置及井上下關(guān)系見表1。
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二、事故經(jīng)過及造成的損失
2013年12月15日中班，工作面正常生產(chǎn)煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，支架壓力顯示正常。夜班正常接班，煤機(jī)正常由機(jī)尾向機(jī)頭推進(jìn)。16日0時(shí)40分左右工作面30～80#架開始?jí)毫︼@現(xiàn)，達(dá)到460bar，此時(shí)工作面采高在3.8～4.1m，工作面位置在推過上覆采空區(qū)集中煤柱15.5m。工作面突然整體來壓，在20秒左右時(shí)間內(nèi)，23～135#架支架整體下沉，活柱行程由原來1.3～1.5m左右下沉到0～0.2m，導(dǎo)致煤機(jī)被壓死在92～102#架。待壓力穩(wěn)定后觀察支架壓力表，壓力表已損壞，壓力瞬間最大值在450～800bar之間。
工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度最低為9%，回風(fēng)順槽中氧氣濃度最低為14%，待風(fēng)流穩(wěn)定后，工作面及回風(fēng)順槽中氧氣濃度都超過18%；地表塌陷滯后工作面位置約30m，塌陷帶長度約300m，深度達(dá)0.7m。由于事故發(fā)生時(shí)正值交接班時(shí)間，工作面中沒有作業(yè)人員，未造成人身傷害。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次壓架事故對(duì)工作面設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，其中：立柱200根，平衡油缸20根，護(hù)幫板油缸21根，立柱安全閥484個(gè)，壓力表206塊，其它各類閥組100多個(gè)。
三、事故原因分析
原因一：覆巖關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷或呈大跨度的懸頂破斷，造成關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)而切落。
根據(jù)工作面壓架位置附近的補(bǔ)4鉆孔（如圖3）可以看出，煤層上覆頂板巖層中存在兩層硬巖層，且處于下位的那層硬巖層（16.02m中粒砂巖）為關(guān)鍵層。根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論及覆巖破斷運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律，此種關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)條件下極易發(fā)生兩層硬巖層的復(fù)合破斷，從而發(fā)生滑落失穩(wěn)而切落，造成工作面壓架的發(fā)生。而判斷31201綜采面此次的3次壓架是否為該原因造成，可從這3次壓架時(shí)工作面對(duì)應(yīng)的來壓步距進(jìn)行判斷。若3次壓架時(shí)對(duì)應(yīng)的來壓步距均較長（20m左右），則極有可能是此原因造成。

原因二：上覆房采煤柱超前失穩(wěn)造造成煤柱上方關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)反向回轉(zhuǎn)而發(fā)生滑落失穩(wěn)
由于上覆22煤采空區(qū)遺留有大量的房式煤柱，當(dāng)下部31煤層工作面開采時(shí)，受采動(dòng)的影響，上覆房式煤柱極有可能受采動(dòng)影響而發(fā)生失穩(wěn)崩塌，從而造成上覆巖層的大面積垮塌，導(dǎo)致沖擊載荷的出現(xiàn)，最終引發(fā)31煤工作面壓架的發(fā)生。此過程可用圖4所示的示意圖給予解釋。

（a）關(guān)鍵層超前破斷

（b）房采煤柱超前失穩(wěn)
圖4? 上覆房采煤柱超前失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理圖
當(dāng)工作面上覆關(guān)鍵層發(fā)生超前破斷時(shí)，工作面隨即進(jìn)入來壓狀態(tài)；隨著工作面的不斷推進(jìn)，作用于煤壁前方的超前支承壓力也不斷加大并作用于上覆遺留的房采煤柱上，如圖4a。由于房采煤柱的支撐載荷的能力有限，受此超前支承壓力的影響部分房采煤柱將可能發(fā)生失穩(wěn)破壞而逐漸垮塌，從而造成其上關(guān)鍵層發(fā)生超前破斷，形成塊體C，如圖4b所示。此時(shí)，工作面上方的破斷塊體A則會(huì)隨塊體C一并發(fā)生反向回轉(zhuǎn)，從而減小A、C塊體鉸接處的鉸接力；若上覆載荷較大或支架阻力不夠時(shí)，將造成A塊體結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，從而導(dǎo)致下部B塊體沿?cái)嗔丫€切落，引發(fā)壓架。
原因三：工作面出集中煤柱邊界后（見圖5a），受2-2煤基本頂破斷塊體結(jié)構(gòu)A的影響，其將上覆巖層載荷轉(zhuǎn)移至前方的房采煤柱上方，導(dǎo)致房采煤柱所受的集中載荷進(jìn)一步加大，相繼出現(xiàn)一定程度的壓縮下沉及塑性破壞，因較大范圍內(nèi)的房采煤柱均出現(xiàn)明顯的壓縮下沉，致使頂板基本頂呈現(xiàn)三邊固支、一邊簡支的板結(jié)構(gòu)初次破斷形式（見圖5b），破斷塊體結(jié)構(gòu)B、C的反向回轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇了煤柱的破壞程度，將上覆載荷傳遞于層間3-1煤層基本頂，致其破斷塊體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)（見圖5c），最終造成工作面發(fā)生壓架事故。
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（a） 31201工作面出集中煤柱邊界 （b）31201工作面進(jìn)入房采采空區(qū)下

（c）?? 31201工作面壓架

31201工作面壓架后地面裂縫發(fā)育位置見圖6，壓架位置正上方對(duì)應(yīng)的地表無明顯裂縫，兩條臺(tái)階裂縫在壓架位置外側(cè)60m和81m處。

（三）地面鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)觀測
在22煤上覆基巖層布設(shè)多點(diǎn)位移傳感器，建立巖層內(nèi)部觀測站，以研究31201工作面采動(dòng)影響下22煤上覆巖層的下沉規(guī)律。
從地面向巖層內(nèi)部施工4個(gè)鉆孔，沿工作面推進(jìn)方向間隔30m在集中煤柱兩側(cè)布置，其中在集中煤柱上方布置zk3、工作面?zhèn)炔贾脄k1和zk2、大巷側(cè)布置
zk4鉆孔，在各鉆孔內(nèi)部不同深度上設(shè)置6個(gè)觀測點(diǎn)（距孔口距離分別為：61m、66m、68.4m、71.5m、75.4m、78.4m）。

（四）地表沉降觀測
在工作面隔離煤柱前后方地表沿工作面傾向布置10條巖移觀測線，每條測線布置5個(gè)觀測點(diǎn)，通過對(duì)地表裂隙及沉降的觀測，判斷31201工作面推進(jìn)過程中22煤及31煤頂板下沉破斷情況。

（五）其它措施
結(jié)合31201綜采面成功通過上覆集中煤柱經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)綜采面31202、31204面過上覆集中煤柱除采取上述防治手段外，還采取了縮短工作面長度及地面強(qiáng)制爆破煤柱措施，減小覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)工作面的破壞范圍和影響程度。
31202面原設(shè)計(jì)長度367m，新掘進(jìn)兩條巷道將工作面分為兩個(gè)面，31202-1面180m，31202-2面160.2m。


31204綜采面采用從地面打孔強(qiáng)制爆破集中煤柱解危措施。在集中煤柱內(nèi)布置2排深孔爆破，孔徑190mm，裝藥密度28.34kg/m，炮孔裝藥長度煤柱內(nèi)為11.6m，22煤頂板上10m，黃土充填高度不小于6m，總充填高度不小于14m。

五、事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
通過對(duì)兩個(gè)長、短工作面設(shè)備可靠性觀測結(jié)果分析，可知縮短后的31202-1工作面設(shè)備可靠性比長工作面31201工作面高，并基本能夠滿足生產(chǎn)需求。
通過對(duì)來壓步距、來壓持續(xù)長度、來壓期間釋放的能量進(jìn)行綜合分析，可知縮短后的31202-1工作面來壓強(qiáng)度明顯弱于未縮短的31201工作面。其來壓強(qiáng)度關(guān)系分別為以下兩個(gè)方面：
從31201工作面各個(gè)區(qū)域的不同來壓顯現(xiàn)規(guī)律可以得出長工作面每個(gè)區(qū)域的來壓強(qiáng)度關(guān)系為：過集中煤柱后一次大面積來壓強(qiáng)度>2-2煤房柱式采空區(qū)回收率較低區(qū)域來壓強(qiáng)度>過柳根溝上坡段來壓強(qiáng)度>過集中煤柱前后平時(shí)區(qū)域來壓強(qiáng)度。
從31202-1工作面各個(gè)區(qū)域的不同來壓顯現(xiàn)規(guī)律可以得出短工作面每個(gè)區(qū)域的來壓強(qiáng)度關(guān)系為：過房柱式采空區(qū)段來壓強(qiáng)度>過旺采區(qū)段來壓強(qiáng)度>過長壁采空區(qū)段來壓強(qiáng)度>過實(shí)體煤段來壓強(qiáng)度。
（三）通過鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面超前支護(hù)的距離為25m是可行的。
（四）從RTK監(jiān)測的各項(xiàng)地表特征數(shù)據(jù)可以看出，在上覆煤層為房采區(qū)、綜采區(qū)和旺采區(qū)的區(qū)域起動(dòng)距明顯大于上覆煤層為實(shí)體煤的區(qū)域起動(dòng)距，其他各項(xiàng)指標(biāo)也呈現(xiàn)類似特征。由于RTK測量的誤差較大，上述指標(biāo)無法得到精確的值。因此在本項(xiàng)目中主要用來確定疑似采空區(qū)的區(qū)域是否存在采空區(qū)；同時(shí)監(jiān)測房采區(qū)出現(xiàn)超前塌陷后的影響范圍，從而確定開采時(shí)的安全區(qū)域；并且也可以作為爆破治理有效程度的檢驗(yàn)措施。
（五）通過數(shù)值模擬研究、現(xiàn)場監(jiān)測和支架適應(yīng)性分析可知：對(duì)于工作面過集中煤柱時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載礦壓，目前沒有一個(gè)支架能擁有抵御如此強(qiáng)烈動(dòng)載礦壓的支護(hù)能力。因此遇到危險(xiǎn)系數(shù)較高的煤柱需要采取治理措施，對(duì)危險(xiǎn)性系數(shù)相對(duì)較低的煤柱也要利用微震監(jiān)測手段進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，才能保證現(xiàn)場作業(yè)安全。
（六）通過力學(xué)分析，在改進(jìn)傳統(tǒng)臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)不能形成砌體梁結(jié)構(gòu)的鉸接巖塊提出了單回轉(zhuǎn)巖塊結(jié)構(gòu)。基于該結(jié)構(gòu)中回轉(zhuǎn)巖塊B的受力情況，建立了支架工作阻力的計(jì)算模型。根據(jù)實(shí)體煤下、房柱式采空區(qū)下、過上覆房柱式采空區(qū)集中煤柱期間綜采工作面的地表巖移特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分別提出了“砌體梁-單回轉(zhuǎn)巖塊”結(jié)構(gòu)、“小錯(cuò)位砌體梁-單回轉(zhuǎn)巖塊”結(jié)構(gòu)和“嚴(yán)重錯(cuò)位砌體梁-單回轉(zhuǎn)巖塊”結(jié)構(gòu)，并解釋了三種不同開采結(jié)構(gòu)下的不同礦壓顯現(xiàn)規(guī)律形成特點(diǎn)。結(jié)合鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)觀測數(shù)據(jù)和頂板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用單回轉(zhuǎn)巖塊結(jié)構(gòu)分別對(duì)三種不同頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了支架的合理工作阻力計(jì)算，并根據(jù)支架工作阻力頻率分布統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場壓架時(shí)的壓力表觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證該支架工作阻力公式的正確性。并指出在過上覆房柱式采空區(qū)集中煤柱期間，由于通常影響到的失穩(wěn)巖塊層位更高，重量更大，容易導(dǎo)致現(xiàn)有最大工作阻力的支架都無法滿足其支護(hù)要求，因此對(duì)于此類情況一般需要采取爆破等治理措施進(jìn)行壓架事故的防治。
（七）本項(xiàng)目中的微震監(jiān)測采用“地表-井下聯(lián)合布置方案”，根據(jù)每天微震事件數(shù)量和、總能量及多次礦壓監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合多次上覆巖層大范圍運(yùn)動(dòng)的宏觀觀測結(jié)果，總結(jié)得出了以下規(guī)律：
31201工作面3-1煤周期來壓的預(yù)警指標(biāo)為微震事件數(shù)量達(dá)15個(gè)以上，總能量為4.2×105J；2-2煤頂板巖層來壓的預(yù)警指標(biāo)為數(shù)量達(dá)31個(gè)以上，總能量為8.0×105J。
31202-1工作面動(dòng)壓預(yù)警指標(biāo)在房采采空區(qū)階段，微震監(jiān)測動(dòng)壓預(yù)警指標(biāo)數(shù)量為12個(gè)，能量為3.5×105J；旺采采空區(qū)階段，微震監(jiān)測動(dòng)壓預(yù)警指標(biāo)數(shù)量為6個(gè)，能量為2.0×105J。
微震監(jiān)測系統(tǒng)成功指導(dǎo)了石圪臺(tái)煤礦31201和31202-1工作面的安全生產(chǎn)，不僅確保了工作面的安全生產(chǎn)，避免了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還為今后公司甚至整個(gè)西北礦區(qū)類似條件下的安全開采提供了重要參考，具有重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
（八）對(duì)危險(xiǎn)系數(shù)高的煤柱進(jìn)行了治理可行性分析，最終選擇了爆破集中煤柱治理方案，通過礦壓顯現(xiàn)分析、地表塌陷情況分析說明此次爆破效果十分明顯，煤柱上方的地表均有超前破壞，治理效果顯著，大大降低了工作面過房柱式采空區(qū)集中煤柱的動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，解除了過集中煤柱所造成的壓架風(fēng)險(xiǎn)，完全滿足本項(xiàng)目動(dòng)載礦壓防治的要求。