急傾斜煤層頂板事故原因及防治措施研究

摘 要：急傾斜煤層頂板事故一直是威脅采礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，文章分析了急傾斜采煤頂板運動規(guī)律，將急傾斜煤層頂板事故分為漏垮型冒頂、壓垮型冒頂、復(fù)合頂板推垮型冒頂、沖垮型冒頂四種不同類型，論述了傾斜煤層工作面礦壓顯現(xiàn)特點，提出了有針對性的控制方法和手段，為我國的急傾斜煤層的安全高效開采提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；頂板；冒頂；防治措施

引言

急傾斜煤層儲量占我國煤炭總儲量的40%，分布廣泛，幾個比較大的煤炭基地，都有急傾斜煤層，如黑龍江省四大礦區(qū)具有急傾斜煤層，新疆礦區(qū)50%煤層為急傾斜煤層。急傾斜煤層大多地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層經(jīng)過多次地質(zhì)變動，煤層傾斜角度變大，煤層賦存不穩(wěn)定，導(dǎo)致急傾斜煤層開采在煤層開采順序、開采方法、開采工藝、工作面支護、頂板管理、工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等方面與緩傾斜煤層相比均有所不同，且急傾斜煤層的礦山壓力分布復(fù)雜，頂板事故多，給煤礦安全開采和井下作用人員生命安全造成極大威脅[1，2]。據(jù)統(tǒng)計，急傾斜煤層礦井頂板事故占礦井事故的46.43%，因此，深入分析急傾斜煤層頂板事故原因和條件，研究有效的頂板事故防治措施，已成為亟待解決的重大課題[3，4]。

1 急傾斜采煤頂板運動規(guī)律

急傾斜采煤工作面的頂板事故是由直接頂和老頂大面積運動造成，特點是頂板突然來壓面積大、破壞性大，導(dǎo)致支架大量折斷，造成災(zāi)難性事故，往往導(dǎo)致采煤工作面人員傷亡，設(shè)備損壞，嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)。頂板事故是由開采過程中礦山壓力的活動所造成，因而必須了解工作面超前支撐壓力峰值位置和范圍，才能預(yù)測開采過程中頂板破壞和斷裂位置[5]，進而采取合理措施防止急傾斜煤層頂板事故發(fā)生。根據(jù)大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻研究，分析總結(jié)了急傾斜煤層超前支撐壓力峰值位置和范圍的影響因素以及變化規(guī)律。

1.1 煤層傾角是影響工作面超前支撐壓力峰值位置和作用范圍的重要因素

由于煤層傾角的變化造成工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致工作面超前支撐壓力峰值位置和作用范圍與水平煤層不同，工作面上覆巖層在重力的作用下，直接頂巖層發(fā)生法向彎曲，并向采空區(qū)方向的移動和滑落，采空區(qū)偏上山方向的上方覆巖易發(fā)生破壞。

1.2 煤層傾角變化與巷道超前支撐壓力峰值位置和作用范圍變化具有規(guī)律性

在煤層傾角一定的條件下，隨著工作面的不斷掘進，巷道超前支撐壓力范圍逐漸減小，壓力峰值逐漸向下端頭位置靠近；在工作面推進距離一定的條件下，研究分析了煤層傾角與巷道超前支撐壓力范圍和峰值位置的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)其曲線都為上凸型或近似上凸型，說明隨著煤層傾角的增加，支撐壓力范圍先增大后減小，支撐壓力峰值位置先向遠離下端頭的位置移動，后又逐漸向下端頭靠近。經(jīng)理論計算與實驗驗證，當煤層傾角接近70°時，支撐壓力達到最大值，此時下巷頂板應(yīng)力集中程度加劇，容易發(fā)生更大區(qū)域的破壞，另外中巷道與工作面的拐角處以及下端頭位置也是應(yīng)力集中區(qū)，這些位置是易發(fā)生頂板事故的危險區(qū)域，應(yīng)提前對這些位置采取相應(yīng)的解危措施，并通過增加支柱數(shù)量和承載力來提高支柱強度。

1.3 煤層傾角變化與工作面超前支撐壓力峰值位置和作用范圍變化具有規(guī)律性

煤層傾角的變化對工作面超前支撐壓力作用范圍和峰值位置的影響恰好與巷道的相反。煤層傾角與工作面超前支撐壓力作用范圍和峰值位置曲線均呈下凹型。當煤層傾角為70°時，工作面超前支撐壓力作用范圍最小，隨著工作面推進距離的不斷增加，工作面超前支撐壓力作用范圍均減少10m左右。工作面推進距離與工作面超前支撐壓力作用范圍和峰值位置呈遞減關(guān)系，當煤層傾角為70°時，隨工作面推進距離的不斷增加，工作面超前支撐壓力峰值位置逐漸向工作面方向靠近，此時工作面前方頂板的應(yīng)力高度集中，易被拉斷或剪斷，工作面發(fā)生沖擊地壓事故危險性增加，因而需采取必要的預(yù)防措施，加強工作面的支護強度，避免沖擊事故發(fā)生。

2 急傾斜采煤工作面的頂板事故類型

急傾斜煤層工作面頂板事故類型有四種：

（1）漏垮型冒頂。發(fā)生事故的工作面煤層傾角較大，直接頂異常破碎、松散，若不能及時有效的控制頂板，如采場支護系統(tǒng)中有某個地點失效發(fā)生局部漏冒，頂板上部抽空后，就會因支護失穩(wěn)而發(fā)生漏垮型冒頂事故。（2）壓垮型冒頂。這類頂板事故是垮落帶老頂巖塊壓壞采場支架導(dǎo)致冒落，大多發(fā)生在采煤工作面老頂初次來壓或周期來壓期間，這類事故危害程度一般比較嚴重，但是發(fā)生頻次比較低。其特征是直接頂與老頂之間首先發(fā)生離層，而老頂卻未見明顯移動，然而當老頂突然下沉時，會對工作面產(chǎn)生強烈沖擊，造成煤壁片幫，頂板急劇下沉，采場支架因沖擊載荷的作用，液壓支柱急劇收縮，甚至發(fā)生折斷，導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生。（3）復(fù)合頂板推垮型冒頂。復(fù)合頂板一般是由下層較軟而上層較硬的巖層構(gòu)成，一般在采礦活動與地質(zhì)構(gòu)造的共同作用下，使下層軟巖沿煤幫斷裂發(fā)生冒頂事故。推垮型工作面頂板事故是急傾斜煤層經(jīng)常發(fā)生的頂板事故，占急傾斜煤層頂板事故的較大比率。復(fù)合頂板推垮型冒頂事故一般是人為原因引起的，如放頂、放炮等采煤工序誘導(dǎo)附近煤壁的頂板發(fā)生破碎、下沉，使煤壁處煤體壓酥片幫，頂板沿傾斜方向滑動，造成推垮型冒頂。（4）沖垮型冒頂。沖垮型冒頂?shù)拿簩禹敯逡话銥楹穸容^大的整體硬巖層，其懸露面積可以達到幾千平方米甚至幾十萬平方米，由于采空區(qū)大面積懸頂，在四柱放頂時，巨大的頂板在瞬間沿著傾斜方向向下運動，產(chǎn)生嚴重的沖擊破壞活動，并把采空區(qū)中的空氣擠出，形成巨大風暴，沖擊工作面和巷道，造成嚴重的災(zāi)害事故。

3 急傾斜煤層采面礦壓顯現(xiàn)特征

急傾斜煤層中，巷道圍巖壓力主要來自煤層仰斜的斜上方，對于上巷巖層，應(yīng)為受到上覆巖層的作用，發(fā)生彎曲變形，且因受到深部巖層的阻撓，導(dǎo)致上巷比下巷受到三角巖柱下更大的滑力作用，一般導(dǎo)致上巷上半部煤體鼓出，而下巷一般是下半部發(fā)生鼓幫，并且巷道上巷一側(cè)比下巷一側(cè)的移動量大，相比更容易產(chǎn)生破壞。采空區(qū)冒落的巖石在重力作用下，沿煤層傾斜方向向下滑落，傾角越大滑落得越厲害，采煤工作面下部采空區(qū)充填得越充分，對直接頂?shù)闹瘟ψ饔昧υ酱?，阻止減緩其頂板繼續(xù)冒落，而采空區(qū)上部形成大面積自由空間，會出現(xiàn)“放空”現(xiàn)象，煤壁幫、頂板下沉的現(xiàn)象將會變得更加明顯，造成工作面上部頂板不如下部穩(wěn)定，工作面支護的承載狀況的不均性。因此要求該區(qū)域支護具有更高的穩(wěn)定性和承載能力，在工作面上部以及新工作面剛開采不久時，容易出現(xiàn)冒頂事故。

4 頂板事故的原因分析

通過對采煤工作面頂板管理狀況來頂板事故發(fā)生的原因分析，頂板事故的直接原因一般是支柱的初撐力與工作阻力偏低不能抵抗頂板壓力，以及控頂距過大[6]。

（1）支柱初撐力過低。通過對采煤工作面的礦壓觀測統(tǒng)計結(jié)果表明，頂板來壓時采煤工作面支護發(fā)生破壞，都是由于支護系統(tǒng)的剛度不夠。這是因為單體液壓支柱初撐力因為工人操作誤差、煤層底板松軟導(dǎo)致支柱鉆底等因素造成的。經(jīng)過大量現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)單體液壓支柱實際初撐力基本在45-80kN之間，與設(shè)計初撐力差距較大，極易導(dǎo)致直接頂離層，釀成冒頂事故。（2）支柱工作阻力達不到設(shè)計要求。大量急傾斜煤層采煤工作面的礦壓觀測結(jié)果表明，單體液壓支柱大多處于較低工作阻力狀態(tài)，70%左右的單體液壓支柱工作阻力在150kN以下，且與支柱的設(shè)計工作特性曲線存在較大差異，因單體支柱工作阻力與設(shè)計值存在較大差異，導(dǎo)致整個采場的單體支柱工作阻力不均勻，支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差。（3）控頂距過大或頂板未得到及時支護。隨著工作面的推采，頂板懸空面積增大，應(yīng)及時采取斷頂措施，如果工作面控頂距離過大或頂板未得到及時支護，就有可能導(dǎo)致頂板撓曲、下沉或直接頂過早離層，造成頂板破碎，直至冒頂。

5 頂板事故的防治措施

（1）漏垮型冒頂事故防治措施。急傾斜煤層工作面應(yīng)采取合理的開采順序，選擇合適的位置開掘巷道，盡量通過科學合理的開采設(shè)計，減小工作面支承壓力對頂板的破壞；提高工作面的推進速度，盡量縮短空頂和支撐時間，從而防止松軟頂板破碎惡化；支柱與支柱間應(yīng)盡可能采用輔助聯(lián)結(jié)手段，增強支柱整體性，防止支柱沿傾斜推倒；液壓支柱穿鐵鞋支，確保工作面初撐力達到設(shè)計要求，及時整改變形、失腳的支柱，保證工作面支柱均勻承載，杜絕因局部掉頂造成漏垮型冒頂事故。（2）壓垮型冒頂事故防治措施。當工作面發(fā)現(xiàn)有大冒頂明顯預(yù)兆時，必須采取措施，如加強支護、停產(chǎn)觀察等；有條件的礦井應(yīng)建立礦壓觀測和頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為工作面支護提供依據(jù)；當煤層上部為堅硬巖層且不易垮落時，要采用強制放頂或向頂板高壓注水，使其強度降低而自然垮落；在基本頂初次來壓期間，加大工作面控頂距；工作面來壓明顯、出現(xiàn)下沉臺階時，要采用特種支護形式加強支護；保證采場有足夠的支護剛度，盡力提高切頂支護阻力。（3）復(fù)合頂板推垮型冒頂事故防治措施。對離層的情況進行動態(tài)監(jiān)測，防止離層型頂板大面積垮塌，盡力避免破頂掘進，同時對上覆巖層采用錨桿支護，將上覆層狀巖層咬合成整體，以提高直接頂?shù)淖猿心芰?。對于?fù)合頂板，要堅持“支、護”并重的方法，提高支柱的初撐力和增加支架的穩(wěn)定性，保證支柱有足夠的工作阻力，對機道進行加強支護，防止工作面沿煤壁切頂，頂板下沉、離層，避免離層而造成的推垮型冒頂事故。（4）沖垮型冒頂事故。工作面要沿煤層傾斜方向布置，即呈正傾斜推采，避免呈仰采或俯采推進；對于穩(wěn)定性好較堅硬頂板，保證支柱有足夠的初撐力與工作阻力，通過加大對工作面和巷道的支護密度來提高整個支護體系的強度；提高切頂效果，及時對采空區(qū)進行處理，并對懸頂采取必要的強制放頂措施；對堅硬頂板應(yīng)盡可能實行區(qū)域性注水軟化或開采保護層，降低堅硬頂板的強度，使其軟化；對硬厚頂板應(yīng)采用高阻力切頂墩柱或強制放頂技術(shù)；提高切頂支護阻力，令直接頂沿切頂線冒落。（5）加強工作面工程質(zhì)量管理。對于有冒頂危險的區(qū)域，還應(yīng)認真搞好工作面支護質(zhì)量監(jiān)測與頂板安全評估工作，嚴格按作業(yè)規(guī)程及措施施工；嚴格執(zhí)行工作面質(zhì)量驗收制度，對于不合格的工程，技術(shù)管理人員立即督促整改；建立完善的聯(lián)責聯(lián)保制度，清楚劃分工作面各級管理人員的責任區(qū)域，把工程質(zhì)量與個人責任及收入掛鉤。

6 結(jié)束語

頂板事故是急傾斜礦井多發(fā)事故，分析急傾斜煤層頂板變形破壞規(guī)律，掌握急傾斜煤層的礦壓顯現(xiàn)特點及其規(guī)律，總結(jié)急傾斜煤層頂板事故的類型，對于急傾斜煤層應(yīng)設(shè)計合理的急傾斜煤層的開采方法、頂板管理方法和巷道布置方式，選擇合理的巷道支護方式，掌握采場上履巖層的運動規(guī)律，采取針對性的預(yù)防措施，多項措施綜合解決急傾斜煤層頂板事故，提高煤炭資源的回收率并保證井下人員安全生產(chǎn)。

參考文獻

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作者簡介：石宇（1984-），男，遼寧阜新，本科學歷，助理工程師，研究方向：礦山壓力與礦井動力災(zāi)害防治。