煤礦頂板災(zāi)害預(yù)警及防治對策研究

胡立年

(晉城市煤炭規(guī)劃設(shè)計院，山西 晉城 048000)

當(dāng)前，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占有很大比重，煤炭工業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國力保障的重要基礎(chǔ)。但隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，安全生產(chǎn)問題依舊嚴峻。煤礦事故包括:瓦斯煤塵爆炸事故、頂板事故、水災(zāi)事故等。頂板事故是指在煤炭井下開采過程中，頂板意外冒落而造成的人員傷亡、設(shè)備損毀、生產(chǎn)終止等事故。煤礦開采中的頂板事故大多是由于從業(yè)人員素質(zhì)不高、管理不善造成的。因此，分析煤礦井下常見頂板事故的發(fā)生因素，加強頂板管理，減少和杜絕頂板災(zāi)害事故的發(fā)生，對提高我國煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義［1－2］。

1 煤礦常見頂板災(zāi)害及成因分析

1.1 煤礦頂板事故類型

頂板事故是煤礦生產(chǎn)過程中最常見的威脅職工生命安全的事故之一。煤礦井下常見的頂板事故主要分為以下2類:采煤工作面(掘進)頂板事故和巷道頂板事故［3］。

1)采煤工作面頂板事故。

隨著煤炭開采機械化程度的提高和發(fā)展，頂板事故逐年減少，但對于松軟煤層、薄煤層、深部開采等地質(zhì)條件，頂板災(zāi)害仍時有發(fā)生。根據(jù)頂板災(zāi)害力源及范圍，采煤工作面頂板災(zāi)害事故可以分為以下幾類:

a)漏冒型頂板災(zāi)害。

煤礦采掘過程中原來已有的頂板破碎沒有得到有效地監(jiān)控修復(fù)支護，進而導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場開采的地質(zhì)條件有以下幾種:大面積漏冒、局部漏冒、靠煤壁附近或者綜采工作面的上下出口處等。這些地方支護空頂距離較大，煤礦生產(chǎn)過程中支護不及時或無支護，煤層頂板松軟下沉等因素都是導(dǎo)致漏冒型頂板事故的因素。

b)壓垮型頂板災(zāi)害。

在采煤工作面掘進方向，當(dāng)工作面支護力度不足時，垂直于層面方向的頂板壓力會使采煤工作面的支護出現(xiàn)嚴重的臺階下沉，甚至出現(xiàn)壓垮現(xiàn)象，造成嚴重的頂板事故，致使煤礦生產(chǎn)終止或者人員傷亡。

c)推垮型頂板災(zāi)害。

在平行于采煤工作面推進方向的頂板力推倒工作面的支架而導(dǎo)致的頂板事故。當(dāng)采煤工作面由不同巖層組成，并且各巖層之間有弱面時，則煤層較軟的部分容易發(fā)生斷裂、下沉，當(dāng)碎煤量積累到一定程度時，在重力的作用下容易向支撐力不足的地方塌陷，隨著塌陷的不斷發(fā)展，容易引起支護大面積傾倒，進而發(fā)生推垮型頂板事故。

2)巷道頂板事故。

a)掘進工作面頂板災(zāi)害。

在煤礦掘進后，頂部巖層應(yīng)力作用發(fā)生變化，卸壓的平衡狀態(tài)破壞，如果支護不及時，隨時有可能發(fā)生頂板事故。如果掘進工作面附近已有支護的強度不夠，也會造成局部支護失效，造成頂板事故。

b)巷道交岔處頂板災(zāi)害。

巷道交岔點處空頂面積較大，頂部巖層與周圍巖層失去控制，造成松動，容易發(fā)生頂板事故。所以，此處對支護強度和穩(wěn)定性要求很高，交叉口處支護錯綜復(fù)雜。如果支護強度不足，極易發(fā)生頂板事故。

1.2 煤礦頂板事故成因分析

煤礦頂板事故是煤礦生產(chǎn)中不容忽視的重要災(zāi)害事故之一，嚴重危害煤礦的安全生產(chǎn)［4］。頂板事故的產(chǎn)生分為人為因素和自然因素。

1)煤礦井下從業(yè)人員素質(zhì)不高，安全知識技能不足，對井下開采地質(zhì)條件不了解，對礦壓活動規(guī)律與機理認識不到位，支護管理不善，盲目施工，造成嚴重的頂板事故，導(dǎo)致人員傷亡，設(shè)備損壞，生產(chǎn)終止等。

2)煤層傾角、采煤工作面及巷道附近圍巖性質(zhì)和組成、礦井地質(zhì)構(gòu)造、開采深度和煤層厚度都是造成頂板事故的重要因素。其次，礦井開采技術(shù)也是造成頂板事故的主要原因。比如，采煤工作面的支護方式，采空區(qū)的處理方式，工作面支護布置方式，支護工藝與支護參數(shù)，圍巖變形角度控制等都是造成頂板災(zāi)害的重要因素。

2 煤礦頂板事故防治策略

分析煤礦常見的頂板災(zāi)害及產(chǎn)生原因，減少和杜絕煤礦頂板事故的發(fā)生，對提高煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。因此，采取和制定合理的頂板事故防治策略很有必要［5］。

1)加強頂板管理。

煤礦頂板事故具有零散和頻繁發(fā)生的特點，這類事故分布范圍廣，人們不夠重視，造成管理不善。煤礦生產(chǎn)從業(yè)者素質(zhì)不高、礦井地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件簡陋、機械化程度不高等都是誘發(fā)頂板事故的主要因素。因此，加強頂板管理就應(yīng)該在地質(zhì)勘探、規(guī)劃設(shè)計、施工管理、支護方式與措施整個過程嚴密監(jiān)控，減少和杜絕頂板事故的發(fā)生，為煤礦的安全生產(chǎn)提供保證。

2)制定科學(xué)的支護工程預(yù)警監(jiān)測方案。

通過對煤礦頂板動態(tài)、圍巖應(yīng)力、錨桿受力、支架受壓進行實時監(jiān)測，掌握巷道和采煤工作面頂板狀態(tài)，實現(xiàn)煤礦頂板事故的預(yù)警，為綜采工作面和巷道的穩(wěn)定和安全提供科學(xué)依據(jù)。

3 煤礦頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

建立巷道和采煤工作面頂板在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時有效發(fā)現(xiàn)造成頂板事故的潛在隱患，為支護的修復(fù)和加強提供科學(xué)依據(jù)。通過采用先進的傳感技術(shù)對煤礦頂板動態(tài)、圍巖應(yīng)力、錨桿受力、支架受壓進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)煤礦頂板安全監(jiān)測和事故突發(fā)預(yù)警，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障［6］。

目前，中國礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)煤炭裝備集團公司研發(fā)的煤礦頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時有效地對巷道和采煤工作面頂板進行實時監(jiān)測，主要分為以下幾個功能:

1)監(jiān)測掘進和回采巷道的頂板離層位移與速度。2)監(jiān)測錨桿支護巷道錨桿或錨索的載荷應(yīng)力。3)監(jiān)測巷道圍巖或煤柱內(nèi)部應(yīng)力。4)監(jiān)測綜采工作面支架和超前支護工作阻力。5)井上計算機在線動態(tài)顯示監(jiān)測參數(shù)和超限預(yù)警。6)該系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動存儲，可以歷史查詢以及數(shù)據(jù)信息共享。煤礦頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 煤礦頂板安全監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

4 總結(jié)

本文介紹了煤礦頂板安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，通過采用先進的傳感技術(shù)對煤礦頂板動態(tài)、圍巖應(yīng)力、錨桿受力、支架受壓進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，能夠及時有效發(fā)現(xiàn)造成頂板事故的潛在隱患，為支護的修復(fù)和加強提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)煤礦頂板安全監(jiān)測和事故突發(fā)預(yù)警，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

［1］毛德兵，尹希文，張會軍.我國煤礦頂板災(zāi)害防治與監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(9):105－108.

［2］張晉武.煤礦頂板事故發(fā)生的地質(zhì)因素與防治對策［J］.山西煤炭，2012，32(7):69－73.

［3］疏禮春.煤礦頂板動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.煤礦安全，2012，43(10):92－96.

［4］岑傳鴻.頂板災(zāi)害防治［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1989:133－135.

［5］侯朝炯.巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2013:85－86.

［6］王連國，李明遠，王學(xué)知.深部高應(yīng)力極軟巖巷道錨注支護技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(16):2889－2893.