一、工程概況
工作面概況
石圪臺礦3-1煤二盤區回采區域內上覆有本礦綜采采空區、天隆房采區和實體煤。31201工作面上方采空區為原天隆四盤區形成的2-2煤房采采空區。31201工作面與2-2煤層間距34.5～39m，平均38m。
據已有資料分析，上覆2-2煤房采區集中煤柱共有三組，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；其他區域均為房采采空區。
31201綜采工作面為3-1煤二盤區首采面，北側為3-1煤輔運大巷，其余方向均為實體煤。工作面采用四巷布置，分別為主運、輔運和兩條回風順槽，見圖1所示。四條順槽均沿煤層底板掘進。工作面位置及井上下關系見表1。
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二、事故經過及造成的損失
2013年12月15日中班，工作面正常生產煤壁出現片幫現象，支架壓力顯示正常。夜班正常接班，煤機正常由機尾向機頭推進。16日0時40分左右工作面30～80#架開始壓力顯現，達到460bar，此時工作面采高在3.8～4.1m，工作面位置在推過上覆采空區集中煤柱15.5m。工作面突然整體來壓，在20秒左右時間內，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，導致煤機被壓死在92～102#架。待壓力穩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。
工作面回風隅角氧氣濃度最低為9%，回風順槽中氧氣濃度最低為14%，待風流穩定后，工作面及回風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0.7m。由于事故發生時正值交接班時間，工作面中沒有作業人員，未造成人身傷害。

據統計，此次壓架事故對工作面設備造成嚴重損壞，其中：立柱200根，平衡油缸20根，護幫板油缸21根，立柱安全閥484個，壓力表206塊，其它各類閥組100多個。
三、事故原因分析
原因一：覆巖關鍵層發生復合破斷或呈大跨度的懸頂破斷，造成關鍵層破斷結構滑落失穩而切落。
根據工作面壓架位置附近的補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）為關鍵層。根據巖層控制的關鍵層理論及覆巖破斷運動的一般規律，此種關鍵層結構條件下極易發生兩層硬巖層的復合破斷，從而發生滑落失穩而切落，造成工作面壓架的發生。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次壓架時工作面對應的來壓步距進行判斷。若3次壓架時對應的來壓步距均較長（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造造成煤柱上方關鍵層破斷結構反向回轉而發生滑落失穩
由于上覆22煤采空區遺留有大量的房式煤柱，當下部31煤層工作面開采時，受采動的影響，上覆房式煤柱極有可能受采動影響而發生失穩崩塌，從而造成上覆巖層的大面積垮塌，導致沖擊載荷的出現，最終引發31煤工作面壓架的發生。此過程可用圖4所示的示意圖給予解釋。

（a）關鍵層超前破斷

（b）房采煤柱超前失穩
圖4? 上覆房采煤柱超前失穩致災機理圖
當工作面上覆關鍵層發生超前破斷時，工作面隨即進入來壓狀態；隨著工作面的不斷推進，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生失穩破壞而逐漸垮塌，從而造成其上關鍵層發生超前破斷，形成塊體C，如圖4b所示。此時，工作面上方的破斷塊體A則會隨塊體C一并發生反向回轉，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，將造成A塊體結構的滑落失穩，從而導致下部B塊體沿斷裂線切落，引發壓架。
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構A的影響，其將上覆巖層載荷轉移至前方的房采煤柱上方，導致房采煤柱所受的集中載荷進一步加大，相繼出現一定程度的壓縮下沉及塑性破壞，因較大范圍內的房采煤柱均出現明顯的壓縮下沉，致使頂板基本頂呈現三邊固支、一邊簡支的板結構初次破斷形式（見圖5b），破斷塊體結構B、C的反向回轉進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，致其破斷塊體結構發生滑落失穩（見圖5c），最終造成工作面發生壓架事故。
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（a） 31201工作面出集中煤柱邊界 （b）31201工作面進入房采采空區下

（c）?? 31201工作面壓架

31201工作面壓架后地面裂縫發育位置見圖6，壓架位置正上方對應的地表無明顯裂縫，兩條臺階裂縫在壓架位置外側60m和81m處。

（三）地面鉆孔多點位移計觀測
在22煤上覆基巖層布設多點位移傳感器，建立巖層內部觀測站，以研究31201工作面采動影響下22煤上覆巖層的下沉規律。
從地面向巖層內部施工4個鉆孔，沿工作面推進方向間隔30m在集中煤柱兩側布置，其中在集中煤柱上方布置zk3、工作面側布置zk1和zk2、大巷側布置
zk4鉆孔，在各鉆孔內部不同深度上設置6個觀測點（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個觀測點，通過對地表裂隙及沉降的觀測，判斷31201工作面推進過程中22煤及31煤頂板下沉破斷情況。

（五）其它措施
結合31201綜采面成功通過上覆集中煤柱經驗，后續綜采面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制爆破煤柱措施，減小覆巖運動對工作面的破壞范圍和影響程度。
31202面原設計長度367m，新掘進兩條巷道將工作面分為兩個面，31202-1面180m，31202-2面160.2m。


31204綜采面采用從地面打孔強制爆破集中煤柱解危措施。在集中煤柱內布置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、事故經驗教訓
通過對兩個長、短工作面設備可靠性觀測結果分析，可知縮短后的31202-1工作面設備可靠性比長工作面31201工作面高，并基本能夠滿足生產需求。
通過對來壓步距、來壓持續長度、來壓期間釋放的能量進行綜合分析，可知縮短后的31202-1工作面來壓強度明顯弱于未縮短的31201工作面。其來壓強度關系分別為以下兩個方面：
從31201工作面各個區域的不同來壓顯現規律可以得出長工作面每個區域的來壓強度關系為：過集中煤柱后一次大面積來壓強度>2-2煤房柱式采空區回收率較低區域來壓強度>過柳根溝上坡段來壓強度>過集中煤柱前后平時區域來壓強度。
從31202-1工作面各個區域的不同來壓顯現規律可以得出短工作面每個區域的來壓強度關系為：過房柱式采空區段來壓強度>過旺采區段來壓強度>過長壁采空區段來壓強度>過實體煤段來壓強度。
（三）通過鉆孔應力計監測數據可知，工作面超前支護的距離為25m是可行的。
（四）從RTK監測的各項地表特征數據可以看出，在上覆煤層為房采區、綜采區和旺采區的區域起動距明顯大于上覆煤層為實體煤的區域起動距，其他各項指標也呈現類似特征。由于RTK測量的誤差較大，上述指標無法得到精確的值。因此在本項目中主要用來確定疑似采空區的區域是否存在采空區；同時監測房采區出現超前塌陷后的影響范圍，從而確定開采時的安全區域；并且也可以作為爆破治理有效程度的檢驗措施。
（五）通過數值模擬研究、現場監測和支架適應性分析可知：對于工作面過集中煤柱時產生的動載礦壓，目前沒有一個支架能擁有抵御如此強烈動載礦壓的支護能力。因此遇到危險系數較高的煤柱需要采取治理措施，對危險性系數相對較低的煤柱也要利用微震監測手段進行實時預警，才能保證現場作業安全。
（六）通過力學分析，在改進傳統臺階巖梁結構的基礎上，對不能形成砌體梁結構的鉸接巖塊提出了單回轉巖塊結構。基于該結構中回轉巖塊B的受力情況，建立了支架工作阻力的計算模型。根據實體煤下、房柱式采空區下、過上覆房柱式采空區集中煤柱期間綜采工作面的地表巖移特征和礦壓顯現規律，分別提出了“砌體梁-單回轉巖塊”結構、“小錯位砌體梁-單回轉巖塊”結構和“嚴重錯位砌體梁-單回轉巖塊”結構，并解釋了三種不同開采結構下的不同礦壓顯現規律形成特點。結合鉆孔多點位移計觀測數據和頂板結構特點，利用單回轉巖塊結構分別對三種不同頂板結構進行了支架的合理工作阻力計算，并根據支架工作阻力頻率分布統計和現場壓架時的壓力表觀測數據驗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集中煤柱期間，由于通常影響到的失穩巖塊層位更高，重量更大，容易導致現有最大工作阻力的支架都無法滿足其支護要求，因此對于此類情況一般需要采取爆破等治理措施進行壓架事故的防治。
（七）本項目中的微震監測采用“地表-井下聯合布置方案”，根據每天微震事件數量和、總能量及多次礦壓監測結果，結合多次上覆巖層大范圍運動的宏觀觀測結果，總結得出了以下規律：
31201工作面3-1煤周期來壓的預警指標為微震事件數量達15個以上，總能量為4.2×105J；2-2煤頂板巖層來壓的預警指標為數量達31個以上，總能量為8.0×105J。
31202-1工作面動壓預警指標在房采采空區階段，微震監測動壓預警指標數量為12個，能量為3.5×105J；旺采采空區階段，微震監測動壓預警指標數量為6個，能量為2.0×105J。
微震監測系統成功指導了石圪臺煤礦31201和31202-1工作面的安全生產，不僅確保了工作面的安全生產，避免了人員傷亡和經濟損失，還為今后公司甚至整個西北礦區類似條件下的安全開采提供了重要參考，具有重要價值和現實意義。
（八）對危險系數高的煤柱進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集中煤柱的動壓顯現強度，解除了過集中煤柱所造成的壓架風險，完全滿足本項目動載礦壓防治的要求。