一、工程概况
工作面概况
石圪台矿3-1煤二盘区回采区域内上覆有本矿综采采空区、天隆房采区和实体煤。31201工作面上方采空区为原天隆四盘区形成的2-2煤房采采空区。31201工作面与2-2煤层间距34.5～39m，平均38m。
据已有资料分析，上覆2-2煤房采区集中煤柱共有三组，第一组在距切眼330m处，宽61m；第二组集中煤柱在距切眼770m处，宽61m；第三组集中煤柱在距切眼1100m处，宽14m；其他区域均为房采采空区。
31201综采工作面为3-1煤二盘区首采面，北侧为3-1煤辅运大巷，其余方向均为实体煤。工作面采用四巷布置，分别为主运、辅运和两条回风顺槽，见图1所示。四条顺槽均沿煤层底板掘进。工作面位置及井上下关系见表1。
  
二、事故经过及造成的损失
2013年12月15日中班，工作面正常生产煤壁出现片帮现象，支架压力显示正常。夜班正常接班，煤机正常由机尾向机头推进。16日0时40分左右工作面30～80#架开始压力显现，达到460bar，此时工作面采高在3.8～4.1m，工作面位置在推过上覆采空区集中煤柱15.5m。工作面突然整体来压，在20秒左右时间内，23～135#架支架整体下沉，活柱行程由原来1.3～1.5m左右下沉到0～0.2m，导致煤机被压死在92～102#架。待压力稳定后观察支架压力表，压力表已损坏，压力瞬间最大值在450～800bar之间。
工作面回风隅角氧气浓度最低为9%，回风顺槽中氧气浓度最低为14%，待风流稳定后，工作面及回风顺槽中氧气浓度都超过18%；地表塌陷滞后工作面位置约30m，塌陷带长度约300m，深度达0.7m。由于事故发生时正值交接班时间，工作面中没有作业人员，未造成人身伤害。

据统计，此次压架事故对工作面设备造成严重损坏，其中：立柱200根，平衡油缸20根，护帮板油缸21根，立柱安全阀484个，压力表206块，其它各类阀组100多个。
三、事故原因分析
原因一：覆岩关键层发生复合破断或呈大跨度的悬顶破断，造成关键层破断结构滑落失稳而切落。
根据工作面压架位置附近的补4钻孔（如图3）可以看出，煤层上覆顶板岩层中存在两层硬岩层，且处于下位的那层硬岩层（16.02m中粒砂岩）为关键层。根据岩层控制的关键层理论及覆岩破断运动的一般规律，此种关键层结构条件下极易发生两层硬岩层的复合破断，从而发生滑落失稳而切落，造成工作面压架的发生。而判断31201综采面此次的3次压架是否为该原因造成，可从这3次压架时工作面对应的来压步距进行判断。若3次压架时对应的来压步距均较长（20m左右），则极有可能是此原因造成。

原因二：上覆房采煤柱超前失稳造造成煤柱上方关键层破断结构反向回转而发生滑落失稳
由于上覆22煤采空区遗留有大量的房式煤柱，当下部31煤层工作面开采时，受采动的影响，上覆房式煤柱极有可能受采动影响而发生失稳崩塌，从而造成上覆岩层的大面积垮塌，导致冲击载荷的出现，最终引发31煤工作面压架的发生。此过程可用图4所示的示意图给予解释。

（a）关键层超前破断

（b）房采煤柱超前失稳
图4  上覆房采煤柱超前失稳致灾机理图
当工作面上覆关键层发生超前破断时，工作面随即进入来压状态；随着工作面的不断推进，作用于煤壁前方的超前支承压力也不断加大并作用于上覆遗留的房采煤柱上，如图4a。由于房采煤柱的支撑载荷的能力有限，受此超前支承压力的影响部分房采煤柱将可能发生失稳破坏而逐渐垮塌，从而造成其上关键层发生超前破断，形成块体C，如图4b所示。此时，工作面上方的破断块体A则会随块体C一并发生反向回转，从而减小A、C块体铰接处的铰接力；若上覆载荷较大或支架阻力不够时，将造成A块体结构的滑落失稳，从而导致下部B块体沿断裂线切落，引发压架。
原因三：工作面出集中煤柱边界后（见图5a），受2-2煤基本顶破断块体结构A的影响，其将上覆岩层载荷转移至前方的房采煤柱上方，导致房采煤柱所受的集中载荷进一步加大，相继出现一定程度的压缩下沉及塑性破坏，因较大范围内的房采煤柱均出现明显的压缩下沉，致使顶板基本顶呈现三边固支、一边简支的板结构初次破断形式（见图5b），破断块体结构B、C的反向回转进一步加剧了煤柱的破坏程度，将上覆载荷传递于层间3-1煤层基本顶，致其破断块体结构发生滑落失稳（见图5c），最终造成工作面发生压架事故。
    
（a） 31201工作面出集中煤柱边界 （b）31201工作面进入房采采空区下

（c）   31201工作面压架

31201工作面压架后地面裂缝发育位置见图6，压架位置正上方对应的地表无明显裂缝，两条台阶裂缝在压架位置外侧60m和81m处。

（三）地面钻孔多点位移计观测
在22煤上覆基岩层布设多点位移传感器，建立岩层内部观测站，以研究31201工作面采动影响下22煤上覆岩层的下沉规律。
从地面向岩层内部施工4个钻孔，沿工作面推进方向间隔30m在集中煤柱两侧布置，其中在集中煤柱上方布置zk3、工作面侧布置zk1和zk2、大巷侧布置
zk4钻孔，在各钻孔内部不同深度上设置6个观测点（距孔口距离分别为：61m、66m、68.4m、71.5m、75.4m、78.4m）。

（四）地表沉降观测
在工作面隔离煤柱前后方地表沿工作面倾向布置10条岩移观测线，每条测线布置5个观测点，通过对地表裂隙及沉降的观测，判断31201工作面推进过程中22煤及31煤顶板下沉破断情况。

（五）其它措施
结合31201综采面成功通过上覆集中煤柱经验，后续综采面31202、31204面过上覆集中煤柱除采取上述防治手段外，还采取了缩短工作面长度及地面强制爆破煤柱措施，减小覆岩运动对工作面的破坏范围和影响程度。
31202面原设计长度367m，新掘进两条巷道将工作面分为两个面，31202-1面180m，31202-2面160.2m。


31204综采面采用从地面打孔强制爆破集中煤柱解危措施。在集中煤柱内布置2排深孔爆破，孔径190mm，装药密度28.34kg/m，炮孔装药长度煤柱内为11.6m，22煤顶板上10m，黄土充填高度不小于6m，总充填高度不小于14m。

五、事故经验教训
通过对两个长、短工作面设备可靠性观测结果分析，可知缩短后的31202-1工作面设备可靠性比长工作面31201工作面高，并基本能够满足生产需求。
通过对来压步距、来压持续长度、来压期间释放的能量进行综合分析，可知缩短后的31202-1工作面来压强度明显弱于未缩短的31201工作面。其来压强度关系分别为以下两个方面：
从31201工作面各个区域的不同来压显现规律可以得出长工作面每个区域的来压强度关系为：过集中煤柱后一次大面积来压强度>2-2煤房柱式采空区回收率较低区域来压强度>过柳根沟上坡段来压强度>过集中煤柱前后平时区域来压强度。
从31202-1工作面各个区域的不同来压显现规律可以得出短工作面每个区域的来压强度关系为：过房柱式采空区段来压强度>过旺采区段来压强度>过长壁采空区段来压强度>过实体煤段来压强度。
（三）通过钻孔应力计监测数据可知，工作面超前支护的距离为25m是可行的。
（四）从RTK监测的各项地表特征数据可以看出，在上覆煤层为房采区、综采区和旺采区的区域起动距明显大于上覆煤层为实体煤的区域起动距，其他各项指标也呈现类似特征。由于RTK测量的误差较大，上述指标无法得到精确的值。因此在本项目中主要用来确定疑似采空区的区域是否存在采空区；同时监测房采区出现超前塌陷后的影响范围，从而确定开采时的安全区域；并且也可以作为爆破治理有效程度的检验措施。
（五）通过数值模拟研究、现场监测和支架适应性分析可知：对于工作面过集中煤柱时产生的动载矿压，目前没有一个支架能拥有抵御如此强烈动载矿压的支护能力。因此遇到危险系数较高的煤柱需要采取治理措施，对危险性系数相对较低的煤柱也要利用微震监测手段进行实时预警，才能保证现场作业安全。
（六）通过力学分析，在改进传统台阶岩梁结构的基础上，对不能形成砌体梁结构的铰接岩块提出了单回转岩块结构。基于该结构中回转岩块B的受力情况，建立了支架工作阻力的计算模型。根据实体煤下、房柱式采空区下、过上覆房柱式采空区集中煤柱期间综采工作面的地表岩移特征和矿压显现规律，分别提出了“砌体梁-单回转岩块”结构、“小错位砌体梁-单回转岩块”结构和“严重错位砌体梁-单回转岩块”结构，并解释了三种不同开采结构下的不同矿压显现规律形成特点。结合钻孔多点位移计观测数据和顶板结构特点，利用单回转岩块结构分别对三种不同顶板结构进行了支架的合理工作阻力计算，并根据支架工作阻力频率分布统计和现场压架时的压力表观测数据验证该支架工作阻力公式的正确性。并指出在过上覆房柱式采空区集中煤柱期间，由于通常影响到的失稳岩块层位更高，重量更大，容易导致现有最大工作阻力的支架都无法满足其支护要求，因此对于此类情况一般需要采取爆破等治理措施进行压架事故的防治。
（七）本项目中的微震监测采用“地表-井下联合布置方案”，根据每天微震事件数量和、总能量及多次矿压监测结果，结合多次上覆岩层大范围运动的宏观观测结果，总结得出了以下规律：
31201工作面3-1煤周期来压的预警指标为微震事件数量达15个以上，总能量为4.2×105J；2-2煤顶板岩层来压的预警指标为数量达31个以上，总能量为8.0×105J。
31202-1工作面动压预警指标在房采采空区阶段，微震监测动压预警指标数量为12个，能量为3.5×105J；旺采采空区阶段，微震监测动压预警指标数量为6个，能量为2.0×105J。
微震监测系统成功指导了石圪台煤矿31201和31202-1工作面的安全生产，不仅确保了工作面的安全生产，避免了人员伤亡和经济损失，还为今后公司甚至整个西北矿区类似条件下的安全开采提供了重要参考，具有重要价值和现实意义。
（八）对危险系数高的煤柱进行了治理可行性分析，最终选择了爆破集中煤柱治理方案，通过矿压显现分析、地表塌陷情况分析说明此次爆破效果十分明显，煤柱上方的地表均有超前破坏，治理效果显著，大大降低了工作面过房柱式采空区集中煤柱的动压显现强度，解除了过集中煤柱所造成的压架风险，完全满足本项目动载矿压防治的要求。