采煤工作面頂板安全管理的應(yīng)用研究

＊霍新瑞

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦 山西 032300）

近年來，各地區(qū)不斷加大礦山安全管理力度，取得了良好的成績(jī)。雖然管控工作獲得不錯(cuò)的成效，不過煤礦安全形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，較大事故與重大事故時(shí)有發(fā)生，安全管理時(shí)刻不能放松，需不斷提高安全生產(chǎn)管理的精細(xì)化水平，圍繞事故多發(fā)位置加大安全風(fēng)險(xiǎn)的研究和控制力度，尋求最佳的管理方式，增強(qiáng)生產(chǎn)安全管理力度，構(gòu)建安全保護(hù)體系。

1.頂板管理的要求

從頂板管理的角度分析，圍繞以下內(nèi)容做好嚴(yán)格控制：（1）采掘技術(shù)管理。在采掘工作面作業(yè)時(shí)，必須嚴(yán)格按照作業(yè)規(guī)程操作，編制安全技術(shù)措施，落實(shí)技術(shù)會(huì)審與技術(shù)交底培訓(xùn)。若遇到特殊條件與現(xiàn)場(chǎng)條件產(chǎn)生變化的情況，必須要制定專項(xiàng)安全技術(shù)措施，強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)安全的控制。（2）采煤工作面頂板管理。根據(jù)管理要求，圍繞工作面支護(hù)設(shè)計(jì)與支護(hù)材料以及支護(hù)方式等，實(shí)施全面控制。做好工作面的礦壓觀測(cè)，掌握實(shí)時(shí)變化情況。嚴(yán)格遵循作業(yè)規(guī)程和要求，組織開展支護(hù)操作。對(duì)工作面安裝和初次放頂以及結(jié)束等全過程，采取嚴(yán)格管控措施。認(rèn)真落實(shí)安全保護(hù)措施，避免產(chǎn)生安全事故。

2.采煤工作面頂板分類及事故分類

(1)采煤工作面事故分類

在采煤區(qū)頂板事故當(dāng)中，由于工作人員的疏忽會(huì)導(dǎo)致頻繁性的出現(xiàn)巖塊小區(qū)域脫落的情況，在整個(gè)采煤工作面也非常容易引起冒頂問題的出現(xiàn)，而采煤區(qū)的頂板事故之所以出現(xiàn)如此頻繁，主要原因就是因?yàn)槊簩由厦嬗泻芏嗟膸r層，這些巖層統(tǒng)稱煤層頂板，頂板由上而下可以分為偽頂、直接頂、老頂。其中偽頂?shù)膸r層比較松軟，通常會(huì)在采煤過程中和煤礦一同被采下，混搭在煤中影響到煤的質(zhì)量，而直接頂具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在開展采煤工作時(shí)也是工作面的支護(hù)對(duì)象，它的支護(hù)作用從根本上影響著事物的發(fā)生概率，支護(hù)作用越好，事故發(fā)生概率越低，支護(hù)作用越差，事故發(fā)生概率就越高，同時(shí)它也是引起冒頂事故的一個(gè)重要原因，因?yàn)橹苯禹斝吩诠ぷ髅嫔戏揭欢螘r(shí)間之后就會(huì)出現(xiàn)坍塌情況，這也就是我們所常見的煤炭開采事故。老頂?shù)闹饕M成成分是較為堅(jiān)硬的巖石層，主要會(huì)懸浮在采空區(qū)的上方，經(jīng)過一段時(shí)間之后，如果不進(jìn)行細(xì)致處理也會(huì)出現(xiàn)垮落的情況引起較為嚴(yán)重的事故。在開展采煤工作的過程中，首先要明確采煤工作面頂板的分類，只有明確工作面頂板的分類后，才能夠有針對(duì)性地展開支撐作用，這樣才能夠從根本上降低事故發(fā)生的概率，也就才能夠確保采煤工作的順利進(jìn)行。

(2)采煤工作面頂板分類

由于在采煤區(qū)域中頂板的種類不同所造成的采煤工作面頂板事故也就不同常見的采煤工作面頂板事故主要可以分為以下幾種；第1種，是壓垮型冒頂事故，之所以會(huì)出現(xiàn)這類事故，主要是由于樓頂?shù)闹尾蛔?，雖然這一情況不常出現(xiàn)，但是一旦發(fā)生壓垮型冒頂事故具有難以估量的破壞性，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且也會(huì)威脅到采煤人員的生命安全。第2種是漏垮型冒頂事故之所以會(huì)出現(xiàn)這一事故的主要原因是偽頂和頂板的結(jié)構(gòu)較為松散，因?yàn)槎呓Y(jié)構(gòu)非常松散，所以在支護(hù)過程中就很容易造成支護(hù)不當(dāng)?shù)膯栴}，也就會(huì)導(dǎo)致有部分頂板脫落造成安全事故。第3類是推垮型冒頂事故這一事故在采煤工作初始階段發(fā)生頻率較高。第4種類型是局部延時(shí)冒頂事故，之所以會(huì)導(dǎo)致這一事故的主要原因，是因?yàn)檎麄€(gè)工程的預(yù)防性較差，所以這些問題經(jīng)常會(huì)被忽視，雖然相較前幾種事故而言，對(duì)于整個(gè)采煤工作的影響較低，但是不可否認(rèn)也會(huì)成為影響工作進(jìn)度的一個(gè)重點(diǎn)事故，所以頂板會(huì)成為采煤工作當(dāng)中的一個(gè)重點(diǎn)管理對(duì)象。最后一種事故類型是沖垮型冒頂事故主要是由于沖擊力過大，導(dǎo)致所支撐的防護(hù)面支架被沖倒引起事故，這類事故出現(xiàn)頻率非常低，但是和壓垮型冒頂事故相似，一旦出現(xiàn)這一事故就會(huì)造成大量的人力物力損失。

3.頂板事故發(fā)生的安全影響因素

（1）地質(zhì)條件影響。由于我國資源分布不均勻，所以煤層的位置并不固定，在采煤工作中也會(huì)受到地域的限制，以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的制約，在實(shí)際采煤工作當(dāng)中，地質(zhì)情況也是在不斷變化的，很多事故出現(xiàn)都是因?yàn)樵诔跗诳碧綍r(shí)預(yù)期工作沒有做好，不僅要根據(jù)地質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化采取不同措施，而且對(duì)于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況也要有明確的了解。以斷層現(xiàn)象為例，斷層現(xiàn)象不僅會(huì)影響采煤工作的正常發(fā)展，而且在斷層當(dāng)中還有斷層泥，遇到水就會(huì)出現(xiàn)軟化狀況，這就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)采煤工作面的穩(wěn)定性降低，非常容易發(fā)生坍塌事故，如果軟化程度較高還會(huì)出現(xiàn)巖石破碎情況，不僅妨礙頂板支護(hù)，而且也會(huì)為后續(xù)的頂板安全埋下重大的隱患。再如破碎帶在采煤的過程中需要機(jī)器操作以及爆破手段，這都會(huì)在一定程度上產(chǎn)生震動(dòng)，這些震動(dòng)就會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐膸r體結(jié)構(gòu)，一旦巖底發(fā)生變化，這種破壞達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，巖底就會(huì)出現(xiàn)崩塌的情況，而且這些崩塌是沒有任何預(yù)兆的，以及礦山自身的壓力也會(huì)成為影響崩塌的一種因素。在煤炭開采過程中，覆巖層會(huì)發(fā)生變形情況，而產(chǎn)生的壓力會(huì)直接透過頂板施加在工作面搭建的支架上，如果不能掌握壓力的變化規(guī)律也會(huì)引起安全事故。

（2）采煤技術(shù)影響。之所以會(huì)受到采煤技術(shù)因素的影響，是因?yàn)楹芏嗨饺顺邪男∶旱V，為了過度追求經(jīng)濟(jì)利益，會(huì)采用成本較低而比較落后的采煤技術(shù)，這就會(huì)影響到整個(gè)采煤工作面的安全，這種落后的采煤技術(shù)防震性比較差，所造成的震動(dòng)程度也就比較高，這種高強(qiáng)度的震動(dòng)很有可能會(huì)造成當(dāng)?shù)氐膸r體變化，導(dǎo)致坍塌情況發(fā)生。還有一點(diǎn)就是采煤的工作環(huán)境和工作薪酬都比較低，所以很多煤礦工人的知識(shí)水平都比較低，所以用的采煤技術(shù)比較落后，再加之安全防護(hù)意識(shí)不到位就非常容易造成安全事故，而且這種類型的安全事故主要都出現(xiàn)在回采作業(yè)時(shí)，因?yàn)椴煌幕夭晒ば驎?huì)引發(fā)不同類型的事故。例如：采煤機(jī)在作業(yè)后需要進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，如果支護(hù)工作滯后，那么在采煤工作面回柱放頂時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)冒頂事故，這就會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，而且也會(huì)危害到工作人員的人身安全，再者，在炮眼放置時(shí)該如何控制藥量，以及該如何明確樓頂?shù)膲毫ψ兓@些情況如果沒有處理好都會(huì)引發(fā)冒頂事故。針對(duì)這些問題相關(guān)部門一定要提高重視程度，只有從根本上解決采煤技術(shù)因素的問題，才能夠確保采煤工作的有效展開，也就才能夠確保采煤工作面的安全性，尤其是近年來我國經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，對(duì)于煤炭資源的需求量也就越來越大，如若因?yàn)椴擅杭夹g(shù)因素的影響導(dǎo)致出現(xiàn)采煤工作面頂板安全事故，不僅會(huì)引發(fā)社會(huì)各界對(duì)于政府的質(zhì)疑，而且也會(huì)讓那些只追求利益的私人企業(yè)逃脫法律責(zé)任。

4.采煤工作面頂板安全管理的實(shí)例分析

（1）案例概述。以某煤礦為例，有5對(duì)礦井的煤層埋深在500～1000m，煤層的厚度大約為4～26m，開采作業(yè)的條件復(fù)雜，很容易遇到瓦斯和水以及沖擊地壓等各類災(zāi)害，安全風(fēng)險(xiǎn)很高且治理難度大，安全生產(chǎn)管理任務(wù)艱巨。在生產(chǎn)安全管理方面，引入了新技術(shù)，提高安全管理的精細(xì)化水平，認(rèn)真落實(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)的防范和控制措施，獲得不錯(cuò)的成效?，F(xiàn)結(jié)合管理實(shí)踐，進(jìn)行具體分析。

（2）煤層頂板的概念與分類。按照從上到下的次序劃分，主要為偽頂和直接頂以及老頂。其中，偽頂指的是緊貼煤層上，很容易隨著開采垮落的巖層，通常厚度大約為0.3～0.5m，主要由頁巖和炭質(zhì)頁巖等組成。直接頂?shù)幕緟?shù)情況為：①不穩(wěn)定頂板強(qiáng)度指數(shù)≤30；直接頂初次垮落步距≤8。②中等頂板。強(qiáng)度指數(shù)31～70；直接頂初次垮落步距9～18。③穩(wěn)定頂板。強(qiáng)度指數(shù)71～120；直接頂初次垮落步距19～25。④堅(jiān)硬頂板。強(qiáng)度指數(shù)＞120；直接頂初次垮落步距＞25。老頂指的是直接頂下部較為堅(jiān)硬的巖層，主要為砂層和石灰?guī)r等。

（3）頂板事故發(fā)生的原因分析。根據(jù)頂板事故發(fā)生的經(jīng)驗(yàn)分析，主要原因如下：①客觀因素。其一，地質(zhì)構(gòu)造因素。采煤工作面作業(yè)時(shí)很容易遇到褶皺和斷層等地質(zhì)，尤其是斷層，若產(chǎn)生壓力變化的情況，可能會(huì)造成冒頂事故。其二，礦山壓力因素。采煤作業(yè)的開展，將會(huì)造成覆巖層出現(xiàn)變形情況，產(chǎn)生礦山壓力，壓力通過煤層頂板被傳遞到工作面支架上，多出現(xiàn)在回采工作面上下口位置，受到壓力的影響，中部頂板會(huì)呈現(xiàn)快速下降的情況，并且初期壓力與周期壓力產(chǎn)生，使得工作面整體的穩(wěn)定性受到影響，若沒有做好保護(hù)措施，則會(huì)引發(fā)冒頂事故。②主觀因素。首先，檢查方法不合實(shí)際。通常來說，爆破發(fā)生1～2h后，可能會(huì)產(chǎn)生冒頂事故。在爆破波的影響下，頂板應(yīng)力沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)和母體分離的巖體受到應(yīng)力持續(xù)釋放影響繼續(xù)活動(dòng)，最終出現(xiàn)冒落事故。其次，采煤技術(shù)不熟練。作業(yè)人員對(duì)采用的技術(shù)掌握不足且缺乏經(jīng)驗(yàn)，缺少對(duì)松石的形成和發(fā)展等的認(rèn)識(shí)，難以精準(zhǔn)分析穩(wěn)固性。最后，方案設(shè)計(jì)不合理。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)或者回采順序不合理，也會(huì)造成安全隱患。③支護(hù)因素。作業(yè)時(shí)若支護(hù)工作不及時(shí)或者質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等，也會(huì)影響支護(hù)的效果與生產(chǎn)安全，因此需要做好嚴(yán)格控制。

（4）頂板安全管理的措施。首先，強(qiáng)化技術(shù)管理。為強(qiáng)化頂板事故的管理，防范安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生，保障煤礦生產(chǎn)的安全，提出嚴(yán)格保證技術(shù)的應(yīng)用效果。對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行全面勘察與調(diào)查，掌握煤層賦存和地質(zhì)構(gòu)造以及頂?shù)装鍘r性等具體情況，同時(shí)做好煤巖物理力學(xué)參數(shù)以及頂板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等的分析，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的支護(hù)方案，確定適宜的支護(hù)參數(shù)，完善支護(hù)設(shè)計(jì)方案，尋求更好的頂板管理辦法以及手段。其次，注重現(xiàn)場(chǎng)管理。采煤工作面頂板安全管理工作的開展，必須嚴(yán)格落實(shí)安全生產(chǎn)管理制度，實(shí)施敲幫問頂制度，不可以空頂作業(yè)，配置專用的頂板離層儀，做好全面檢查。保證回采工作面液壓支架的初撐力達(dá)到要求，做好采掘工作面過空巷和構(gòu)造以及破碎帶等的檢查，同時(shí)要嚴(yán)格把關(guān)回采工作面初次放頂與老頂來壓等的管理，保證生產(chǎn)作業(yè)的安全。最后，要求做好監(jiān)測(cè)預(yù)警。根據(jù)采煤工作面頂板作業(yè)的特點(diǎn)和安全管理要求，編制完善的頂板監(jiān)測(cè)和礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)制度，構(gòu)建智慧化監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人料機(jī)物等的全面控制，達(dá)到實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)的效果。根據(jù)采集的視頻和數(shù)據(jù)信息等，進(jìn)行安全生產(chǎn)的分析，提出優(yōu)化安全管理的措施和辦法，提高安全管理的水平，創(chuàng)造更多的效益與價(jià)值。

（5）安全管理的創(chuàng)新。基于推動(dòng)企業(yè)安全發(fā)展的背景，貫徹綠色發(fā)展，圍繞雙碳目標(biāo)，提出采用智能化管理模式和手段，開展試點(diǎn)分析，討論智能化工作面建設(shè)的可行性。經(jīng)過智能化研究與實(shí)踐，已經(jīng)有4對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)了智能化開采。采用5G技術(shù)賦能，打造5G智慧礦區(qū)。堅(jiān)持因地制宜的原則，融合了5G無線通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)以及圖像識(shí)別技術(shù)、4D-GIS技術(shù)等，構(gòu)建高水平的智能化安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系，強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)全過程的安全控制。工作面生產(chǎn)執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，有效解決礦井生產(chǎn)和機(jī)電設(shè)備以及煤質(zhì)管理等問題，利用數(shù)字建模和流程管理以及設(shè)備監(jiān)控、智能化分析等各類手段，結(jié)合使用安全生產(chǎn)知識(shí)圖譜，強(qiáng)化人、機(jī)、料、法和環(huán)的高效化管理。利用安全監(jiān)測(cè)泛在感知物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，發(fā)揮5G無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)煤礦感知的全連接。結(jié)合利用地下的監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦頂板與沖擊低壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤全過程的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)化控制，掌握各類安全風(fēng)險(xiǎn)的潛在情況，為安全生產(chǎn)分析提供支持與保障。在安全管理方面，利用VR安全培訓(xùn)系統(tǒng)，發(fā)揮VR技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)以及人工智能技術(shù)等的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全知識(shí)的深度融合，為安全教育培訓(xùn)和技術(shù)交底提供技術(shù)支持，提高工作的質(zhì)量。除此之外，設(shè)計(jì)與施工方面，綜合利用數(shù)據(jù)技術(shù)和5G數(shù)字孿生技術(shù)等，強(qiáng)化對(duì)安全生產(chǎn)全方位的管理，保障安全管理到位[1]。

5.采煤工作面頂板安全管理的優(yōu)化建議

（1）編制完善的事故防治方案。從事故的類型入手，采取針對(duì)性防治措施，具體內(nèi)容如下：①推垮型冒頂事故。按照頂板性質(zhì)劃分，主要包括沖擊推垮類和復(fù)合頂板類。對(duì)于沖擊類型的事故，要求做好頂板動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)頂板離層問題，落實(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)對(duì)措施[2]。與此同時(shí)，要提升支護(hù)的質(zhì)量水平，強(qiáng)化穩(wěn)定性，提高水平抵抗力。組織開展工作面支護(hù)作業(yè)，必須要保證支護(hù)的及時(shí)性，保障支架的剛度初撐力，以免頂板離層的發(fā)生。對(duì)于復(fù)合型冒頂，需對(duì)支架的質(zhì)量做好控制，使用液壓支架支護(hù)，并且做好復(fù)合頂板的實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)[3]。②壓垮型冒頂事故。如果工作面產(chǎn)生大冒頂明顯預(yù)兆，則必須立即采取措施進(jìn)行處理，例如增強(qiáng)支護(hù)與停產(chǎn)觀察等。若有條件則需要構(gòu)建礦壓觀測(cè)與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，為工作面支護(hù)提供依據(jù)和支持。如果煤層上部存在堅(jiān)硬巖層并且不輕易垮落，則可以采用強(qiáng)制放頂或者向頂板高壓注水方法，來降低強(qiáng)度，達(dá)到自然垮落的效果。通過對(duì)采煤工作面頂板情況的全面調(diào)查與分析，分析可能會(huì)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的防范與應(yīng)對(duì)措施，保障生產(chǎn)的安全性[4]。

（2）做好現(xiàn)場(chǎng)安全管理。采煤工作面頂板安全管理要圍繞現(xiàn)場(chǎng)做好嚴(yán)格控制，認(rèn)真落實(shí)安全生產(chǎn)環(huán)境建設(shè)工作，配置充足的安全防護(hù)資源和設(shè)施，構(gòu)建安全性較高的生產(chǎn)環(huán)境，保護(hù)人員的安全[5]。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的人員和機(jī)械設(shè)備以及材料等，引入信息化技術(shù)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，提高安全管理的覆蓋度，促使安全管理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。對(duì)參與作業(yè)的人員，則需要進(jìn)行安全教育與技術(shù)培訓(xùn)，盡量消除人力資源的影響和風(fēng)險(xiǎn)，保障采煤工作面頂板管理到位。在組織開展支護(hù)作業(yè)時(shí)，必須要嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)的方案和安全管理辦法，做好全面嚴(yán)格控制，形成完善的安全管理系統(tǒng)，增強(qiáng)頂板安全管理效益，創(chuàng)造更多的價(jià)值[6]。若發(fā)生安全事故，則需要立即啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制，積極組織開展救援，避免出現(xiàn)人員傷亡的情況，保護(hù)好生命財(cái)產(chǎn)和資源。不斷地反思采煤工作面頂板安全管理工作，分析存在的問題和不足，提出優(yōu)化頂板安全管理的辦法和措施，實(shí)現(xiàn)管理的價(jià)值與效益[7]。

6.結(jié)語

綜上所述，采煤工作面頂板安全管理工作開展與落實(shí)，要結(jié)合頂板的類型和安全事故發(fā)生的原因，制定完善的頂板管理制度與辦法，落實(shí)到管理實(shí)踐。通過全面嚴(yán)格控制，切實(shí)保障頂板安全管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)造更多的安全管理效益與價(jià)值。