基于地質(zhì)預(yù)報(bào)的煤巷頂板事故防治研究

＊李建文

（山西高平科興平泉煤業(yè)有限公司 山西 048400）

巷道作為煤礦開(kāi)采中人員、設(shè)備與煤礦運(yùn)輸通道，其質(zhì)量安全問(wèn)題關(guān)系到人身安全與生產(chǎn)安全等重大問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)煤礦開(kāi)采程度、深度日益增加，煤礦內(nèi)部所處地質(zhì)環(huán)境也更為復(fù)雜，開(kāi)采的安全問(wèn)題也隨之而來(lái)。其中，巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板事故發(fā)生層出不窮。在復(fù)雜構(gòu)造斷層、圍巖地壓大、低強(qiáng)度和遇水膨脹引起巖層破碎等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的影響下，巷道頂板事故發(fā)生的比例居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由巷道頂板事故引起的死亡事故比例占事故比例的40%以上，人員傷亡比例占井下事故傷亡總?cè)藬?shù)的50%以上，可見(jiàn)巷道頂板事故問(wèn)題的棘手性和迫切程度。由此可見(jiàn)，對(duì)巷道頂板事故產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，總結(jié)事故發(fā)生原因及規(guī)律，研究事故防治措施和對(duì)策，對(duì)于遏制頂板事故發(fā)生，保障煤礦工人人身安全和開(kāi)采生產(chǎn)安全具有重大的意義和緊迫性。

1.頂板事故起因

頂板事故主要由巷道掘進(jìn)過(guò)程中帶來(lái)的礦山壓力變化引起的。國(guó)內(nèi)外已有大量研究對(duì)煤巷頂板事故發(fā)生機(jī)理做了一系列深刻的研究。尤小明[1]針對(duì)大斷面煤巷頂板離層冒頂進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究；馮吉成[2]針對(duì)巷道不同區(qū)域復(fù)合頂板垮落問(wèn)題，建立了巷道復(fù)合頂板巖層過(guò)梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，提出了頂板巖層失穩(wěn)判別方法和冒頂隱患分級(jí)；李柱[3]通過(guò)對(duì)巷道冒頂前礦壓現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出了頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因，提出了調(diào)整錨索支護(hù)參數(shù)增強(qiáng)頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性和抵抗強(qiáng)度的支護(hù)理念。從上述的研究得出，煤巷掘進(jìn)過(guò)程中帶來(lái)的礦山壓力變化會(huì)造成頂部不同程度上的形變，若頂板的質(zhì)量管理不當(dāng)，很有可能在山體壓力增大的情況下出現(xiàn)垮落、斷裂甚至冒頂情況，存在非常大的安全隱患。

盡管頂板事故發(fā)生的原因可以歸結(jié)于礦山山體壓力，但預(yù)防工作則需要考慮圍巖、支護(hù)和人三方面因素。隨著施工工藝和支護(hù)技術(shù)的成熟，在支護(hù)方面已經(jīng)比較少出現(xiàn)問(wèn)題。再加上人們生產(chǎn)安全意識(shí)的提高，對(duì)煤巷頂板事故問(wèn)題愈發(fā)重視，頂板事故發(fā)生的概率已經(jīng)有所下降。也就是說(shuō)，預(yù)防工作的三個(gè)主體中，“支護(hù)”和“人”的因素已經(jīng)得到了較大改善和改進(jìn)，但頂板事故占安全事故的比例仍然居高不下，一個(gè)重要的原因就是“圍巖”因素的不確定性導(dǎo)致的。圍巖的強(qiáng)度關(guān)系到頂板工程的開(kāi)展，在實(shí)際施工過(guò)程中，需要根據(jù)圍巖的強(qiáng)度來(lái)決定頂板的材料和強(qiáng)度，達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性上的平衡。有學(xué)者針對(duì)某煤礦具體案例指出支護(hù)煤巷安全的首要任務(wù)是有效防治巖層組合劣質(zhì)型冒頂。由此可見(jiàn)，預(yù)防頂板事故的發(fā)生的首要問(wèn)題是了解探明對(duì)應(yīng)礦山山體里的圍巖地質(zhì)情況，達(dá)到生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益兩方面的平衡。

2.地質(zhì)預(yù)報(bào)的含義、原理和技術(shù)

地質(zhì)預(yù)報(bào)是一種根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料對(duì)將要掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)的技術(shù)。地質(zhì)預(yù)報(bào)的原理是通過(guò)對(duì)于掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確了解，清楚不良質(zhì)體位置、大小、強(qiáng)度、含水量等關(guān)鍵信息，進(jìn)行可能性分析，為后續(xù)煤巷挖鑿工作提供指導(dǎo)，從而盡量避開(kāi)地質(zhì)異常斷面，針對(duì)性強(qiáng)化或優(yōu)化支護(hù)和頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

目前，地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已不再滿(mǎn)足于單一的地質(zhì)分析預(yù)報(bào)，而是結(jié)合了地球物理探測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)超前區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)預(yù)報(bào)。新出現(xiàn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)諸如地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁、激發(fā)極化等預(yù)測(cè)方法賦予了其在煤巷頂板事故防治中應(yīng)用的可能性。劉斌[4]應(yīng)用了三維電阻率層析成像法對(duì)礦井突水模型進(jìn)行實(shí)時(shí)成像檢測(cè)；李貴炳[5]通過(guò)TSP技術(shù)對(duì)隧道中的含水層、溶洞、斷層等不良質(zhì)體進(jìn)行了預(yù)報(bào)。這些新型的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能夠?yàn)槊合锇踩a(chǎn)提供預(yù)報(bào)，形成預(yù)防為主的事故防治局面。

經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在隧道工程和礦山工程等領(lǐng)域得到了較為成熟且廣泛的應(yīng)用，并且積累了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)[6]。隨著煤礦企業(yè)對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的重視，以及地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁、激發(fā)極化技術(shù)等技術(shù)的推廣應(yīng)用，地質(zhì)預(yù)報(bào)表現(xiàn)出良好的超前預(yù)警作用，地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的準(zhǔn)確率已經(jīng)能夠滿(mǎn)足煤礦企業(yè)生產(chǎn)的需要，為避免煤巷頂板事故提供了效途徑[7]。

3.地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用

為了研究地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在煤巷頂板防治中的可行性和效益，本文選擇了某礦區(qū)進(jìn)行事故分析和防治研究。通過(guò)對(duì)某礦區(qū)發(fā)生的頂板事故進(jìn)行分析，針對(duì)性提出防治措施和建議，進(jìn)行工程防治實(shí)踐，最后結(jié)合模擬軟件進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。

（1）冒頂事故分析。在某礦區(qū)發(fā)生過(guò)的多次冒頂事故中，約有80%事故是由地質(zhì)突變引起的。其中，某次冒頂事故發(fā)生了原錨索脫落的情況，在13m的冒頂總長(zhǎng)中，最高位置離原板將近11m，面向迎頭方向左側(cè)冒頂嚴(yán)重。在事故后勘探發(fā)現(xiàn)，本次冒頂事故是由地質(zhì)條件引起的，冒頂位置處于斷層界面，復(fù)雜的地質(zhì)條件以及交錯(cuò)的煤巖分布導(dǎo)致原有巖體破碎，使得頂板發(fā)生冒頂事故。

雖然地質(zhì)界面斷層是導(dǎo)致該冒頂事故發(fā)生的直接原因，但是如果能夠通過(guò)合理準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)隱藏的不良質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，能夠有效防治出現(xiàn)的冒頂事故。因此本次事故發(fā)生的根本原因，可以歸結(jié)為典型的由于地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)工作不到位引起的頂板事故。

（2）防治措施。經(jīng)過(guò)對(duì)頂板事故來(lái)源和起因的分析，地質(zhì)預(yù)報(bào)在煤巷頂板事故防治中的可行性分析，還有具體的冒頂事故分析，結(jié)合新型的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，本文提出了基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的頂板事故防治方法。首先在煤巷掘進(jìn)前使用新型地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，避開(kāi)不良質(zhì)體；其次，如遇地質(zhì)突變狀況，采取合適的預(yù)警機(jī)制并加強(qiáng)支護(hù)防護(hù)，形成一套集成頂板事故預(yù)報(bào)和預(yù)警防治的綜合防治體系。具體方案如下所示：

①地質(zhì)資料收集。首先需要對(duì)原始的地質(zhì)資料進(jìn)行收集補(bǔ)充，對(duì)目前已有的勘探成果和宏觀預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行集成，形成對(duì)煤礦開(kāi)采礦體的基礎(chǔ)地質(zhì)信息架構(gòu)。其次是對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)地勘探。原始資料由于年代久遠(yuǎn)以及技術(shù)落后等原因，難免出現(xiàn)信息錯(cuò)誤或者缺失的情況。最后還需及時(shí)補(bǔ)充迎頭地質(zhì)編錄信息，這能夠直接反饋重點(diǎn)地段巷道圍巖巖性、構(gòu)造、層理、節(jié)理、涌水等情況，便形成了較為完善的地質(zhì)資料信息架構(gòu)。

②預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用。利用新興的物探技術(shù)或者地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)超前不良質(zhì)體進(jìn)行勘探，識(shí)別斷層、含水帶、巖層邊界等不良質(zhì)體結(jié)構(gòu)[8]。若存在可及時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)掘進(jìn)方向或改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)，建立對(duì)地質(zhì)突變地段的識(shí)別與解釋準(zhǔn)則，優(yōu)化反褶積技術(shù)。此外，對(duì)于預(yù)報(bào)技術(shù)提示的不良質(zhì)體區(qū)域，采用鉆孔窺視儀進(jìn)行取材驗(yàn)證，進(jìn)一步提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[9]。

③預(yù)防設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)。基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)給出的可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及事故可能性，設(shè)計(jì)響應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案和防護(hù)措施，并結(jié)合冒頂事故現(xiàn)狀，進(jìn)行安全合理的支護(hù)鋪設(shè)，多層級(jí)的預(yù)防頂板事故發(fā)生，妥善處理將風(fēng)險(xiǎn)降至最低，將安全生產(chǎn)損失降至最小。

（3）地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)踐。為了預(yù)防冒頂事故的再次發(fā)生，并且檢驗(yàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將上述綜合防治體系實(shí)踐于某礦區(qū)的煤巷工程實(shí)踐中，對(duì)工程5條平巷進(jìn)行施工指導(dǎo)。首先，經(jīng)過(guò)已收集齊全的地質(zhì)資料信息架構(gòu)進(jìn)行分析，標(biāo)示出重點(diǎn)區(qū)段，然后利用地質(zhì)信息編錄對(duì)平巷地質(zhì)情況進(jìn)行補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)分析確定出重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行預(yù)報(bào)，如圖1所示。同時(shí)，在標(biāo)示預(yù)報(bào)重點(diǎn)區(qū)段時(shí)應(yīng)留有空間上的余量。

圖1 三維推演結(jié)果示意圖

為了使物探技術(shù)設(shè)備能夠有效發(fā)揮作用并進(jìn)行不良質(zhì)體預(yù)測(cè)，在煤巷掘進(jìn)至300m時(shí)開(kāi)始使用物探設(shè)備進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)煤巷掘進(jìn)至343m時(shí)，頂板圍巖破碎程度加劇，頂板壓力變大，掘進(jìn)留頂困難，網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯。據(jù)此可以推測(cè)迎頭已進(jìn)入斷層影響區(qū)，因此使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前巖體探測(cè)。探測(cè)結(jié)果顯示，該處存在斷層構(gòu)造，為煤巖的巖心交界面，并且與F3斷層屬于同一斷面。

而在超前探孔預(yù)報(bào)結(jié)果中，距離迎頭10.2m處存在煤轉(zhuǎn)巖斷面結(jié)構(gòu)，與地質(zhì)雷達(dá)中推測(cè)的結(jié)果相符合，綜合地質(zhì)信息架構(gòu)系統(tǒng)預(yù)報(bào)和地質(zhì)雷達(dá)與超前探孔等物探技術(shù)測(cè)試結(jié)果，可以推斷：該處巖性為煤轉(zhuǎn)巖，由正斷層下降盤(pán)穿越至上升盤(pán)，斷層斷距為5～6m，與之前出現(xiàn)過(guò)的冒頂事故中的巖層情況類(lèi)似。

（4）改進(jìn)支護(hù)方案設(shè)計(jì)模擬。通過(guò)分析上述得到的信息，針對(duì)性的對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整。由于正斷層的存在，巷道由斷層下降盤(pán)穿越至上升盤(pán)，導(dǎo)致支護(hù)壓力需求變大，而頂部的煤層變厚，容易造成頂板破碎程度加深，更容易出現(xiàn)冒頂事故。因此需要對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行強(qiáng)度上的改進(jìn)。具體方案如下：根據(jù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)情況，決定加強(qiáng)強(qiáng)力錨索直徑以提高承受應(yīng)力；并且增設(shè)錨索結(jié)構(gòu)，加大頂板護(hù)表面積，使得上方煤層的壓力應(yīng)力更好的傳導(dǎo)至巷道兩側(cè)，為頂板從完好到冒頂過(guò)程留有充足壓力余量。

同時(shí)對(duì)支護(hù)方案的改進(jìn)效果與原方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證對(duì)比?；诘刭|(zhì)資料，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立煤巷與巖體模型，如圖2所示。模型設(shè)置了固定邊界條件，其中水平方向上采用約束位移，數(shù)值為0；而在垂直方向上，在巖體上部的200m厚度的巖層重力作為主要考量，根據(jù)勘探的地質(zhì)信息架構(gòu)數(shù)據(jù)，設(shè)定巖層的平均自重為2.5kN/m3，則模型在厚度為1m的情況下上部的負(fù)載可達(dá)到12.9MPa，相當(dāng)于在煤巷上方每增加1m的厚度，巖層的自重增加了12.9kN/m3。

圖2 巖體數(shù)值計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩種支護(hù)方案的頂板位移和塑性區(qū)面積如表1所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，原支護(hù)方案在斷層前的頂板位移為115.6mm，斷層處的頂板位移為417.3mm，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后斷層處的頂板位移縮小到了120.5mm。在塑性區(qū)面積上，原支護(hù)方案在斷層前的面積為30.52m2，斷層處的面積為42.32m2，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，斷層處的塑性區(qū)面積縮小至20.11m2。為此可以得到以下結(jié)論：

表1 原支護(hù)方案與改進(jìn)支護(hù)方案的模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

①原先的支護(hù)方案并不能保證斷層處的強(qiáng)度，因此需對(duì)原方案作出改進(jìn)。從其頂板位移和塑性區(qū)面積可以看出，原支護(hù)方案在遇到斷層問(wèn)題時(shí)會(huì)發(fā)生較大的形變，承受不住較大的頂板巖層自身重力產(chǎn)生的壓力應(yīng)力。如果遇到不良質(zhì)體結(jié)構(gòu)，繼續(xù)采用原支護(hù)方案將帶來(lái)極大的安全隱患，煤巷頂板發(fā)生冒頂?shù)目赡苄源蟠蟠嬖凇?/p>

②支護(hù)改進(jìn)方案具有很好的改進(jìn)預(yù)防效果。在出現(xiàn)質(zhì)體斷層時(shí)，從頂板位移和塑性區(qū)面積的變化對(duì)比可以看出其支護(hù)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于原支護(hù)方案，頂板下沉量、兩幫移近量和塑性區(qū)面積分別是原支護(hù)方案的27.2%和43.3%，因此，在遇到質(zhì)體斷層時(shí)，能夠提供良好的保護(hù)效果，所以當(dāng)勘探出質(zhì)體斷層時(shí)應(yīng)該立即響應(yīng)預(yù)警系統(tǒng)，采用該改進(jìn)版的支護(hù)方案。

（5）改進(jìn)支護(hù)方案效果驗(yàn)證。上述通過(guò)模擬驗(yàn)證了改進(jìn)支護(hù)方案的有效性，為了進(jìn)一步的檢驗(yàn)，將該支護(hù)方案應(yīng)用到施工現(xiàn)場(chǎng)中，測(cè)量實(shí)際的頂板位移數(shù)據(jù)和塑性區(qū)面積大小。在實(shí)際應(yīng)用中，由于巷道從斷層上盤(pán)進(jìn)入到下盤(pán)的結(jié)構(gòu)，整體煤層位移較之前有所上移，因此煤巷的挖掘工作需要向上進(jìn)行掘進(jìn)。在距離斷層處約5m處，開(kāi)始使用上述設(shè)計(jì)的改進(jìn)支護(hù)方案。結(jié)果表明，使用了支護(hù)方案之后，實(shí)際測(cè)得的頂板位移數(shù)據(jù)和塑性區(qū)面積數(shù)據(jù)均與模擬預(yù)測(cè)值接近，并且施工過(guò)程中較為順利，未出現(xiàn)較大的安全隱患，施工期間也順利的通過(guò)該斷層地帶，保障了工程的順利進(jìn)行。在一個(gè)月之后再度對(duì)采用改進(jìn)支護(hù)方案的斷層處的頂板位移和塑性區(qū)面積進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示并無(wú)明顯的變形現(xiàn)象出現(xiàn)，說(shuō)明了在改進(jìn)支護(hù)方案的作用下，煤巷頂板結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，得到了很好的保護(hù)效果。

4.結(jié)論

針對(duì)存在的煤礦生產(chǎn)安全問(wèn)題，本文針對(duì)煤礦事故原因進(jìn)行了分析，得到了頂板事故率較大的結(jié)論。緊接著對(duì)頂板事故產(chǎn)生的起因進(jìn)行剖析，明晰了頂板事故的主因：對(duì)煤層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的預(yù)防預(yù)警措施不足。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種新的煤巷頂板事故防治體系，基于地質(zhì)預(yù)報(bào)的手段，構(gòu)建地質(zhì)信息架構(gòu)，進(jìn)行不良質(zhì)體的預(yù)測(cè)。并從模擬和實(shí)際驗(yàn)證的角度出發(fā)，得到了一種應(yīng)對(duì)不良質(zhì)體的改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)。所得結(jié)論如下：

（1）基于地質(zhì)預(yù)報(bào)的煤巷頂板事故防治體系包括了地質(zhì)資料收集，預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用、預(yù)防設(shè)計(jì)及檢測(cè)三個(gè)流程。經(jīng)過(guò)模擬和工程實(shí)際的驗(yàn)證，表明了該地質(zhì)預(yù)報(bào)防治體系具有較高的可行性及工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也具有操作上的簡(jiǎn)便性和實(shí)用性。（2）本文提出的以錨索梁為主要支護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)支護(hù)方案能夠很好的提升支護(hù)強(qiáng)度，降低頂板位移和塑性區(qū)面積，這一點(diǎn)從計(jì)算機(jī)模擬和工程實(shí)際應(yīng)用上都得到了驗(yàn)證，證明其可以有效的控制斷層區(qū)頂板變形，防止頂板冒落。（3）本文的防治體系具有很好的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)比起冒險(xiǎn)補(bǔ)救方案所產(chǎn)生的費(fèi)用，本文防治體系能夠節(jié)省開(kāi)支，同時(shí)降低事故風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于追求安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益都有著一定的積極作用。