深部開采工作面頂板事故發(fā)生機理及控制技術探討

李 琨

（冀中能源邢礦集團山西古縣金谷煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

我國目前埋深1 000 m以內的淺煤炭資源量僅有9169億t，而埋深超過1 000 m的煤炭資源量為2.86萬億t，占總量的53.34%[1]。我國煤炭資源儲量雖然豐富，儲藏量居世界第3位。近年來由于我國經濟高速發(fā)展，導致煤炭被大規(guī)模的開采，所以大部分地區(qū)的淺部煤炭資源已經接近枯竭。例如：山東、安徽、河南、河北、江蘇、黑龍江的等地區(qū)的大部分礦井已由淺部開采轉向深部開采，采深在800～1 200 m，其中江蘇有采深超過1 200 m的礦井7個，山東有采深超過1 200 m的礦井11個[2]，見圖1。另外在江西、湖南和貴州等地區(qū)也相繼出現(xiàn)個別深部開采礦井。這些表明我國的煤礦開采強度和深度在增加，開采深度在以每年10～25 m的速度延伸[3]。

隨著我國多數(shù)地區(qū)礦井進入深部開采階段，在深部高地應力、高瓦斯、高地溫、高水壓等惡劣環(huán)境下開采，勢必會造成煤與瓦斯突出、礦井突水、巷道圍巖大變形、沖擊礦壓、地熱災害[4]，其中頂板事故發(fā)生頻率最高，影響時間最長。特別是南方中小型煤礦，地質結構復雜，煤層賦存條件差，實現(xiàn)智能化開采較為困難，開采不正規(guī)，更容易誘發(fā)頂板事故[5]。據(jù)統(tǒng)計煤礦中頂板事故死亡人數(shù)約占礦井全部死亡人數(shù)的36%～42%，事故比例約占總事故的40%～50%[6]，其中發(fā)生在工作面內的端面冒頂事故占頂板事故的81.48%，發(fā)生在工作面外的占18.52%[7]，見圖2。因此，非常有必要研究深部開采下采場頂板災害與防治，以降低礦井百萬噸死亡率，對保障深部礦井安全、高效開采煤炭資源具有重大意義。

1 深部采場頂板事故發(fā)生機理

深部煤巖體賦存的地質條件復雜，處于高地應力和高地溫環(huán)境中，軟巖隨著開采深度的增加而增多，一些硬巖巖性發(fā)生變化，也會表現(xiàn)出大變形、強流變等特征[8]?；谶@樣的開采條件，極易造成深部采場頂板冒落。深部煤巖體的受力情況與淺部有很大的差異，圍巖的切向應力集中，徑向應力分散，在工作面后方的采空區(qū)頂拱附近產生1個環(huán)環(huán)向主壓應力帶，應力荷載主要通過類似于拱結構作用從頂拱傳到拱腳處及空區(qū)兩側圍巖[9]。為了簡便計算，可將工作面后方的頂板、間柱和圍巖簡化一個系統(tǒng)。受力表達式見式（1），力學模型見圖3。

圖1 各省不同采深深部礦井數(shù)量[2]

圖2 近年來采場頂板事故數(shù)占比[2]

式中：S為高地應力和上覆巖體自重的組合值，γG為上覆巖體自重荷載分項系數(shù)，gk為上覆巖體均布荷載標準值，γQ為高應力荷載分項系數(shù)，qk為高應力荷載標準值。

可將系統(tǒng)內一定厚度采空區(qū)頂板簡化為無鉸拱，見圖4，采場跨度為L，A、B為拱趾，O為等截面圓弧無鉸拱圓心[10]。

圖3 頂板受力簡圖

圖4 無鉸拱結構模型

能量釋放造成冒落，采場頂板冒頂事故的大小取決于巖體內能量釋放的大小。深部采場頂板巖體處于高自重應力場和高構造應力場之中，在強大的垂直應力和水平應力作用下，巖體受到擠壓，體積和形狀發(fā)生變化，從而產生了大量彈性變形能聚集在巖體內和巖體周圍。俄國學者阿維爾申教授認為,礦巖體內的彈性能是由體積變化產生的體變彈性能Uv、形狀變化產生的形變彈性能Uf和頂板彎曲下沉產生彎曲彈性能Uw組成[11],即：

式中：μ為頂板巖層泊松比，E為頂板巖層彈性模量，γ為頂板巖層容重，H為采深，q為作用在巖梁上的均布載荷，J為巖梁慣性矩;L為巖梁長度。

從上式可看出能量的聚積是隨采深、采空區(qū)面積的變化而變化,即隨懸頂長度和懸頂面積的增加而增大。受采動的影響，巖體內能量聚集到足夠大時，超過頂板巖體本身承載強度，彈性變形能就會突然釋放，使礦巖體破裂，造成采場冒頂[12]。

2 影響深部采場頂板事故的主要因素

在煤炭實際的開采過程中，采高、端面距、放頂步距、煤層賦存條件（煤厚、傾角、內聚力）、支架初撐力、支護密度等均對深部采場頂板事故產生影響，但我們只討論其中幾個非常重要的影響因素。

2.1 圍巖性質

在深部采場中，圍巖巖性以軟巖居多，如泥巖、凝灰?guī)r、頁巖和粉砂巖等。煤礦淺部開采中,一般認為低圍壓下優(yōu)質硬巖破壞僅伴有少量甚至完全沒有永久變形,不會出現(xiàn)顯著的流變現(xiàn)象,這種情況與在深部高地應力條件下有所不同[13]。在深部高溫環(huán)境下硬巖具有較強的時間效應,表現(xiàn)為明顯的流變或蠕變。

深部高圍壓力學環(huán)境下，最大主應力差增大（σ1-σ3），采場頂板巖石的變形形式由脆性向延性轉變，深部高圍壓條件下巖石的破壞往往伴隨有較大的塑性變形，變形量增大，會對上覆巖層的支點產生影響，出現(xiàn)支點外移的情況[14]。就會對頂板及煤壁造成不同程度上時間效應、空間效應以及擾動現(xiàn)象。與此同時，巖體的流變性和沖擊性也會表現(xiàn)十分突出。

2.2 采深

隨著采深的增加，殘余構造地應力增大，應力集中區(qū)域將變大，支撐壓力影響的范圍和強度逐漸增大，壓力拱的直徑擴大，采場頂板的垂直變形量增大。巖爆頻繁，巖溫逐漸增加，頂板巖石的熱膨脹性相比于淺部有明顯的增大，巖石熱損傷強度大，見式（7）、式（8）熱損傷材料本構關系[15]。

式中：L為采場跨度，H為開采深度，στ為頂板巖石抗拉強度，γ為頂板巖石容重，α、n為相關系數(shù)。

從式中可看出，隨著開采深度的增加，頂板暴露面積變大，懸臂長度加大，采場頂板事故發(fā)生的風險隨之增高[16]。

式中：ε為線應變，E為無損傷狀態(tài)下的真實彈性模量，D為熱損傷變量，ET為高溫時巖石的彈性模量，σ為沒有損傷時的應力。

其中：0≤D≤1，當D=1時，表明巖石喪失自承載能力，完全損傷；當D=0時，表明巖石沒有發(fā)生損傷。隨著采深的增大，D值也會增大，說明巖石的損傷程度在逐漸變得劇烈。

3 深部采場頂板事故發(fā)生前兆

3.1 直接頂垮落預兆

在采動的影響下，回采工作面上覆巖層的應力平衡被打破，連續(xù)性遭到破壞。在開采應力的作用下，回采工作面上方的直接頂受壓變形，出現(xiàn)裂隙，頂板發(fā)出斷裂、撞擊聲。隨著工作面的繼續(xù)推進，頂板裂隙增加并增大，頂板巖層中出現(xiàn)碎塊，頂板下沉量隨之增大，甚至呈臺階式下沉，產生離層現(xiàn)象[17]。嚴重時，遇到高應力場，偽頂或人工假頂會直接破壞，掉落，見圖5。

圖5 直接頂預兆

3.2 煤壁片幫預兆

發(fā)生端面頂板事故前，煤壁前方出現(xiàn)支承壓力集中，使開采的煤層變得松軟。在大多數(shù)情況下，基本頂來壓時，先出現(xiàn)煤壁片幫、掉渣的現(xiàn)象，并伴有“吱吱”聲響，再出現(xiàn)端面冒頂這樣的頂板事故。煤壁的破壞形式包括剪切破壞和拉伸破壞[18]。煤壁會先在中上部出現(xiàn)層狀張裂破壞，若遇到軟煤層煤壁，則煤壁會出現(xiàn)大變形，水平位移變大，破壞范圍增大，見圖6。

圖6 煤壁預兆

3.3 支護體失穩(wěn)預兆

如工作面采用單體液壓支柱加金屬鉸接頂梁進行支護，當頂板下沉量增大、支柱過載時，卸壓安全閥打開，活柱體下縮，下縮量可達600～800 mm[19]，并伴隨著漏油、冒油現(xiàn)象。同時金屬鉸接頂梁與頂梁之間的剛性連接斷裂，采煤面端頭出現(xiàn)網兜現(xiàn)象。當?shù)装鍘r層松軟或底板為煤層時，支柱會大量插入或壓裂底板。

如果工作面采用液壓支架進行支護，頂板來壓時，支柱體內壓力增加，達到支柱安全閥的調整壓力，支架特性曲線由增阻階段進入到t3恒阻階段，見圖7。安全閥門動作，在安全閥調整壓力的限制下，壓力曲線呈波浪形式的變化；隨著頂板不斷下沉，頂板壓力繼續(xù)增大，支架特性曲線進入到t4卸載沖擊階段，此時柱體內壓力大大超過安全閥的調整值，油缸活塞段行程急劇下降，高壓乳化液噴出，支架立柱發(fā)出“悶聲響”。遇到頂板大面積來壓，還會出現(xiàn)壓架或支架成片向一方傾覆。

圖7 支架工作特性曲線

3.4 其他預兆

采礦活動導致采場頂板冒裂，頂板裂隙快速發(fā)育，冒裂帶高度增加。在開采瓦斯?jié)舛却螅型怀鑫ｋU趨向的煤層，冒頂前瓦斯涌出量突然增大，有時可以聞到類似蘋果的香味；對于砂質巖層頂板,特別是中粗砂巖厚度愈大,富水性愈好，冒頂前淋水量增加。

4 深部采場頂板防控措施

4.1 提升支護質量

1）合理支架選型。對于松散破碎頂板，以“護”為重點，選擇掩護式支架，防止漏冒型頂板事故發(fā)生；對于直接頂、老頂來壓強大，頂板堅硬，以“支”為重點，選擇支撐式支架，防止壓垮、沖垮型冒頂事故發(fā)生；對于復合型頂板，其冒落的高度小于采高的1.5倍，以“支與護”并重，選擇支撐掩護式支架，同時向復合頂板注入化學藥劑膠結頂板，保持頂板完整性，防止直接頂離層、抽頂，倒轉失穩(wěn)，發(fā)生推垮型冒頂事故[20]。

2）提高支架初撐力。在確定支架類型的基礎上，更重要的是提高支架的初撐力，使支架的初撐力完全能夠抵御直接頂?shù)闹亓?，有效避免直接頂發(fā)生離層，降低移架后頂板下沉量[21]。

頂板下沉量：

式中：Fm為支架循環(huán)末阻力，F(xiàn)0為支架初撐力，Ld為頂梁長度，K為支架煤-底板串聯(lián)整體的抗壓縮剛度，L為循環(huán)進尺。

從上式可以看出，當Fm為支架額定工作阻力時，F(xiàn)0越小，頂板下沉量越大，采場頂板來壓越劇烈。故應提高支架初撐力，支架最小初撐力由下式確定。

式中：γ為巖塊容重，h為該巖塊厚度，d為巖塊寬度，f1為巖塊與支架間摩擦系數(shù)，f為巖塊間摩擦系數(shù)，α為巖層垮落角。

一般支架初撐力為工作阻力的70%～80%較為適宜[22]。若支架初撐力較低，則不能給予采場頂板足夠的有效支承。同時采場支架的活柱可縮量應大于或等于垮落帶或裂隙帶老頂最大下沉量。

3）縮短端面距。對于頂板破碎的機采工作面，局部冒頂經常發(fā)生在無支護的空間內。因此，端面距的確定對采場的穩(wěn)定性十分重要，若端面距過大，造成支護效果差，頂煤易冒落；端面距過小，割煤時達到規(guī)定的截深。對于一個確定的機采工作面，割煤機機身寬度a1，割煤機機身寬度a1，搖臂寬度a2，滾筒寬度a3，輸送機寬度b，頂梁長度s，頂梁圓銷孔中心距頂梁端頭的長度Δs，這些都是一個定值，見圖8。因此，合理安全的端面距僅由下式確定：

式（11）用來確定頂溜時，溜子前端距煤壁的距離X2。

式（12）用來確定立柱與輸送機的距離X3，只要保證導鏈筒與支柱間的安全間隙Δx＞50 mm，便可支設正規(guī)立柱。

式（13）用來確定端面距X1，式中Δx為導鏈筒與支柱間的安全間隙，s2為支柱前端距頂梁前鉸接孔的距離。當實際截深與滾筒寬度吻合時，Δx與s2對端面距的影響較大，必須控制好。

圖8 機采工作面設備幾何尺寸配套

4）增加支護密度。確定支護密度是支護設計方案的重要部分，合理的支護密度不僅影響安全生產，也對生產效益產生很大的影響作用。深部礦井在安全規(guī)范允許的范圍內應盡可能增加支護密度，提升支護質量。以式（14）、（15）確定最大支護密度：

式（14）中：Ni為頂板支護密度，pi為頂板單位面積上的壓力，ps為支架工作阻力。

式（15）中：Ns為實際支護密度，n為工作面支架排數(shù)，L為控頂距，S為機組截深，a為機道寬度。

Ns＜Ni，說明支護密度達不到煤礦安全要求。Ns＞Ni10%以內較為合理；若Ns＞Ni超過10%，說明實際支護密度過大，勞動強度大，不經濟，不合理。

在深部開采中，增加支架的初撐力和支架支護的密度，縮短端面距，能充分提高支架的支護強度，有效發(fā)揮“支架--圍巖”系統(tǒng)支承作用，對保持深部采場穩(wěn)定性有很大的作用，從而避免采場頂板事故的發(fā)生。

4.2 加強特殊頂板管理

4.2.1 堅硬頂板管理

堅硬頂板是指老頂直接賦存在煤層上，無直接頂，或只有一層偽頂。這類頂板的特點是極其堅硬的整體性厚巖層能在采空區(qū)上懸露上萬平方米而不垮落，懸頂時間長。雖然工作面頂板平時下沉量及下沉速度較小，但當工作面推進到一定距離，周期來壓時，采場頂板情況迅速惡化，頂板下沉量及下沉速度急劇增加。由于采空區(qū)落差較大，嚴重時可使采場切頂跨面。

1）注水軟化頂板。采取水力壓裂技術，向堅硬頂板中打鉆孔，形成預裂縫，把高壓水注入其中，增加巖石含水量，改變其物理性質，降低巖體力學強度。

2）切頂卸壓。采取頂板定向預裂切縫爆破技術，可實現(xiàn)對頂板預裂位置的精準切縫，爆破后炮孔內裂縫率高，頂板分割效果明顯，有效解決堅硬頂板懸頂問題。

4.2.2 復合頂板管理

復合頂板是指頂板中含有薄煤或碳質頁巖等煤層頂板。復合頂板在各地區(qū)各煤礦普遍存在，復合頂板各巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，且各巖層間粘聚力較弱甚至無粘聚力。導致開采后，直接頂出現(xiàn)明顯的分離巖塊，直接頂極易離層和抽冒。且隨著采深增加，各巖層層間分離越不穩(wěn)定，時常發(fā)生冒頂事故。

1）嚴禁仰采，盡量實行俯偽斜開采。

2）初采時工作面不要反推。采場頂板為復合頂板時，開切眼處頂板已離層斷裂，在反推范圍初次放頂時，在原開切眼處易誘發(fā)推垮型冒頂[23]。

3）控制采高,使軟巖層冒落后能超過采高。

4）采用“棕繩+注漿”柔性加固技術有效控制煤體片幫[24]，防止煤體片幫后引起復合頂板冒落。

4.3 強化監(jiān)測

我們應以預防為先，控制為主。只有進行日常的監(jiān)測與“敲幫問頂”才能發(fā)現(xiàn)問題，才能解決采場端面冒頂?shù)膯栴}。為此，得出以下幾點認識：

1）目前近場監(jiān)測主要是動態(tài)監(jiān)測支架下縮量和支架工作阻力，以后應結合礦壓5G技術監(jiān)測系統(tǒng)，檢測出頂板巖層的應力變化，揭示采場頂板活動規(guī)律，更好的對支護參數(shù)進行優(yōu)化。同時根據(jù)頂板巖層的應力變化劃分頂板動態(tài)危險區(qū)域，從而采取不同的有效措施。

2）頂板災害雖然具有瞬間性、隱蔽性和動態(tài)性，但發(fā)生的征兆具有長期性。我們可以引入徑向基神經網絡建立與多因素分析相結合得頂板災害預警數(shù)學模型對頂板下沉量預測，同時用微震系統(tǒng)觀測頂板斷裂位置及能量大小，精確的對工作面直接頂和老頂初次來壓預報，更好實現(xiàn)遠程頂板災害預警。

3）采用三維激光掃描技術對煤壁片幫時空演化進行監(jiān)測，云計算片幫位移，利用計算結果標識片幫危險區(qū)域，實現(xiàn)煤壁片幫災害預警。

5 結語

雖然采場頂板安全事故經常發(fā)生在煤礦作業(yè)中，造成一定程度的人員傷亡，但超過70%以上的采場頂板事故是由頂板管理不善造成的[25]，也就是說采場頂板事故是可以預防與控制的。

1）研究深部采場頂板事故發(fā)生的特殊機理及活動規(guī)律，采取有針對性的預防措施，加強采場頂板--圍巖結構完整性，以此提高采場穩(wěn)定性，能大大降低采場頂板事故發(fā)生頻率。

2）探明深部礦井煤巖體賦存條件，找到影響采場穩(wěn)定性的自然誘因，其中采場圍巖巖性及煤體埋深是影響采場穩(wěn)定性的最大誘因。同時掌握采場頂板事故發(fā)生前兆，提前采取防控措施，保障采場穩(wěn)定性。

3）設計采煤方案時，重點考慮影響深部采場穩(wěn)定性的人為因素，包括：支架選型、支架初撐力、端面距、支護密度等。關鍵還要加強安全生產監(jiān)管力度，杜絕工作人員違規(guī)操作，更新生產技術和裝備水平。