礦井頂板事故分析研究及預防機制

王 力 趙佰高 吳貝貝

（山東能源臨礦集團新驛煤礦，山東 濟寧 272116）

頂板管理直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的安全，關(guān)系到煤礦工人的生命和健康。加強頂板管理，根據(jù)礦井地質(zhì)條件、采掘工藝，研究采取針對性措施，才能有效預防煤礦頂板事故發(fā)生。

1 礦井概況

新驛煤礦位于山東省濟寧市境內(nèi)，屬寧陽汶上煤田，位于華北陸塊魯西南潛隆起區(qū)菏澤-兗州潛斷隆的西北部。井田內(nèi)共有可采煤層5層，即：3上1、3上2、15上、16、17煤層，其中3上1與3上2為主采煤層，層間距0～7m。頂板主要為泥巖、粉砂巖，少數(shù)為中、細砂巖，個別孔見炭質(zhì)泥巖、泥巖偽頂；底板主要為泥巖、粉砂巖，少數(shù)為細砂巖。井田內(nèi)斷層較發(fā)育，落差大于30m的斷層51條，小于30m的斷層398條，其中落差100m以上的11條，200m以上的5條。斷層發(fā)育方向主要為北東向、北西向和近南北向，以正斷層為主，斷層規(guī)律性明顯。煤層地質(zhì)柱狀圖見圖1。

圖1 煤層地質(zhì)柱狀圖

2 頂板事故案例研究分析

2.1 頂板事故案例

（1）1109工作面切眼頂板事故(位置如圖1所示)。1109工作面位于礦井東部，靠近井田邊界，南面為1109副面，根據(jù)三維勘探，副面斷層多，構(gòu)造復雜，回采時揭露一陷落柱；東面緊鄰FD135-4斷層，落差15m，切眼掘進時，煤層漸漸變薄，連續(xù)過斷層，此時頂板破碎伴有淋水；工作面與皮帶順槽貫通時，頂板發(fā)生冒落，冒頂長度6m，寬度3.6m，高度5m。

（2）1106下皮帶順槽頂板事故(位置如圖2所示)。1106下皮帶順槽揭露FD158斷層時，向右?guī)烷_口探測1106F6斷層位置，掘進11m到斷層時停止掘進，正常按巷道方向施工，過斷層（FD158）20m后，后路發(fā)生頂板冒落，冒落高度大于6m。

（3）1106下軌順超前段頂板事故(位置如圖3所示)。1106上、下工作面煤層間距2.5～5m，設(shè)計聯(lián)合布置，同時推采，超前距離6～10m，超前支護30m。當1106下面推采至500m位置時，軌道順槽超前支護外20m處，頂板冒落，長度7m，寬度3.5m，高度5m，此時支護錨索脫落。

（4）南翼集中皮帶巷頂板下沉(位置如圖4所示)。南翼集中皮帶巷為開拓巷道，2010年1月施工，直墻半圓拱，按10°上山施工。期間過長溝支五斷層，實際揭露斷層落差220m，斷層帶為破碎巖石，紫紅色粘土。過斷層時巷道沒有明顯壓力顯現(xiàn)，稍微有底鼓現(xiàn)象，無淋水。2011年3月，底鼓加大，頂板出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)淋水，到4月16日早班，工區(qū)匯報巷道頂板明顯下沉，淋水加大，出水量15m3/h，到夜班匯報頂板急劇下沉，影響皮帶運行。

圖2 1109切眼冒頂平面圖

圖3 1106下軌道順槽冒頂平面圖

圖4 1106下皮帶順槽冒頂平面圖

圖5 南翼集中皮帶巷頂板下沉平面圖

2.2 頂板事故征兆

頂板發(fā)生冒頂事故，不是瞬間突發(fā)，是一個長期發(fā)展過程。受采動礦壓影響，巷道頂板不完整處，會壓力顯現(xiàn)，出現(xiàn)一系列冒頂征兆，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）頂板上方出現(xiàn)類似悶炮聲音，俗稱“煤炮”，主要是在老頂壓力下直接頂破碎，發(fā)出破裂聲響。在采煤工作面及兩端頭附近出現(xiàn)幾率最大。

（2）頂板下沉，有掉渣現(xiàn)象。主要是直接頂板受壓下沉速度加快，下沉量增大。

（3）支柱出現(xiàn)鉆底現(xiàn)象?；钪驴s速度加快，有時變成“死柱”；有時支柱彎曲變形，甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

（4）煤壁被壓酥，片幫現(xiàn)象加快，片幫量加大。（5）巷道出現(xiàn)底鼓，頂板淋水增大。

（6）頂部支護錨索、錨桿出現(xiàn)退壓，錨索、錨桿托盤被壓扁，甚至被壓反轉(zhuǎn)；頂板出現(xiàn)裂隙，巖石有離層現(xiàn)象。

2.3 冒頂事故的基本規(guī)律

（1）頂板事故多發(fā)生在頂板破碎處。

（2）巷道交叉位置，新開門位置跨度大的地方是冒頂多發(fā)之地。

（3）過斷層破碎帶、褶曲軸部、沿斷層掘進的巷道、沿空巷道、埋深大的巷道發(fā)生冒頂?shù)膸茁矢摺?/p>

（4）工作面冒頂事故多發(fā)生在來壓期間，煤壁線、切頂線和端頭附近，突然間的壓力破壞了原有巷道支護平衡。

3 事故預防措施

（1）嚴格落實頂板管理制度

制定切實可行的頂板管制制度，從制度上嚴把第一道關(guān)，做到工區(qū)班組自查自糾，科室管理人員日常巡查，定期組織頂板安全專項檢查；查出問題要制定措施按期整改，工區(qū)整改后要及時銷號，安監(jiān)處作為監(jiān)督管理部門，要做好問題的監(jiān)督整改和考核工作。通過查問題→整改→銷號→監(jiān)督考核的閉環(huán)管理，形成封閉式管理體系。

（2）推廣使用礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)

隨著智慧礦山建設(shè)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多的應(yīng)用到礦山行業(yè)，礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對回采工作面支架初撐力、巷道頂板下沉量、錨桿錨索載荷應(yīng)力、煤（巖）層內(nèi)部應(yīng)力進行在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)時時傳輸?shù)娇刂平K端，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動存儲，數(shù)據(jù)庫信息共享，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析做出頂板安全評估。

（3）強化小間距煤層頂板支護

沿3上2煤層掘進時，探明3上2煤層與3上1煤層之間層間距，做到錨索（規(guī)程中錨索長度為6m）要錨固到堅硬巖層中，當層間距小于6m時，要更改錨索長度，使錨索穿過3上1煤層，錨固到3上1煤層頂板中，并縮短錨索間排距，加強支護。

（4）加強巷道交叉點處頂板支護

三岔門、四岔門巷道開口處，由于跨度大，巷道圍巖中的不利點的應(yīng)力和位移隨著巷道跨度增大而急劇增加，由量變到質(zhì)變，使巷道穩(wěn)定性迅速惡化，用以往的理論和實踐積累的經(jīng)驗來指導大跨度巷道的支護已經(jīng)不能滿足支護要求，要采取錨索之間加橫梁，使錨索與錨索之間連成統(tǒng)一組合梁，根據(jù)礦井實際冒落帶高度選擇錨索長度，錨索與錨索間，支護錨桿作為輔助支護，保證圍巖的整體性。

（5）采取巷道過斷層綜合措施加強頂板支護

特別是落差大于50m的大斷層，由于地層沿斷層面發(fā)生位移，導致初始應(yīng)力場的擾動，在采掘活動下斷層容易發(fā)生“活化”。大的斷層還可能導致與含水層對接，造成突水，突水沖刷斷層破碎帶巖石碎屑，形成裂隙，破壞巖層的完整性。過斷層采取措施是：擴大斷面施工，預留變形量，采取深孔注漿和壁后注漿使圍巖成為一個整體；深孔埋設(shè)排水管，集中放水，釋放水壓；圍巖特別破碎時，架設(shè)拱形鋼棚，最后噴漿封閉。

（6）巷道過陷落柱聯(lián)合支護

陷落柱是可溶性巖層在地下水強徑流下，經(jīng)過漫長時期侵蝕形成溶洞、裂隙、孔隙，隨著侵蝕作用加強，孔洞不斷擴大，最終受重力和構(gòu)造力影響，導致上覆地層失去支撐，垮塌陷落而形成。陷落柱內(nèi)的巖層遭到破壞，被煤巖石碎塊、粘土充填，無層序，松散狀。過陷落柱措施：探明陷落柱位置、范圍、形狀、含水性、柱內(nèi)巖塊的性質(zhì)、充填物的密實程度；采用“錨網(wǎng)+鋼棚”聯(lián)合支護，噴漿封閉防治風化；防止頂部出水，造成沖刷，漏頂。

4 結(jié)語

（1）通過頂板事故分析研究，事故多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造附近，巷道交叉處因跨度大也是事故多發(fā)地，經(jīng)過多次實踐，提前對巷道頂板采取有效措施，杜絕了頂板事故發(fā)生。

（2）準確可靠的地質(zhì)資料是預防頂板事故的基礎(chǔ)，查清地質(zhì)構(gòu)造，對預防巷道頂板事故有著極其重要的意義。

（3）通過認真分析研究，總結(jié)不同地質(zhì)條件下加強頂板管理和支護的經(jīng)驗結(jié)論，針對具體情況采取措施，可以更好地對頂板有重點的監(jiān)控，完善頂板管理機制。