采煤工作面顶板控制分析与事故防治

采煤工作面顶板控制分析与事故防治一、引言随着我国经济、技术的迅速发展，对能源的需求日益增大，煤炭工业一直是我国国民经济的支柱产业，而煤矿事故对人们来说却是一个非常繁重的话题。顶板事故是煤矿“五大灾害〞之一，回采工作面顶板事故发生比较频繁，人员伤亡率一直较高。据统计，回采工作面百万吨死亡率中，顶板事故约占67%。如不对顶板加以及时、合理、有效的控制和管理，就有可能影响“安全生产〞，造成严重后果。导致回采工作面冒顶事故的直接原因是回采工作面上覆岩层受采动影响而使应力重新分布，失去了原有的应力平衡，这就导致了部分区域出现应力集中，当上覆岩层施加于下部岩层的载荷达到极限载荷时，岩层发生断裂而垮落。随着采煤技术的不断提升，理论方法的不断完善和成熟，近年来，顶板事故率有所下降，但其危害仍然很庞大，顶板事故在煤矿生产过程中不应被忽视。按事故发生地点统计排在前三位的是：采煤工作面〔63.18%〕、掘进工作面〔12.55%〕、巷道〔13.81%〕。因此，准确掌握矿压显现规律，建立一套合理、有效的顶板管理制度是非常必要的。〔一〕影响回采工作面矿山压力显现的主要原因影响回采工作面矿山压力的主要因素是围岩性质，地质因素是成煤过程中自然形成的，是不可改变的。在生产过程中，只能适应和运用其特性服务生产。〔1〕岩石力学性质实际观测说明，岩石的力学性质对矿山压力显现起关键性作用。由于岩石自身的密度、矿物成分、颗粒大小等的不同，不同岩石或同一种岩石的强度各异。测定说明，顶板岩石强度越高，矿压显现越显然。〔2〕开采深度开采深度直接影响着原岩应力的大小，对巷道矿山压力显现的影响可能比较显然，特别是有煤岩特别矿井，这是一般规律。如在松软岩层中开掘巷道，随着深度的增加，巷道围岩的“挤、压、鼓〞现象比较显然。但开采深度对回采工作面顶板压力大小的影响并不特别，因而对矿山压力显现的影响也不显然，特别是对顶板下沉量的影响。在目前的技术条件下，开采深度可达600～800m，实际测定说明，采深对工作面顶板下沉量无直接影响。例如比利时的彼丘尔煤矿，开采深度已达1415m，工作面采纳工作助力为350kN的金属支柱，仍然可以将顶板管理得很好。(3)煤层倾角煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响比较大，实际观测说明，煤层倾角越大，顶板下沉量越小。也就是说，近水平工作面的顶板下沉量要比倾斜、急倾斜工作面大得多。〔4〕断层、裂隙等一般来说，断层、裂隙较发育的岩层都比较破碎，这直接影响了岩层的强度。这样的顶板非常容易垮落，从而释放了部分矿山压力，使其得以缓和。开采技术因素是人为因素，也就是说，可以通过一定的技术手段控制和改变矿压显现，这对顶板的控制和管理很有意义。〔1〕巷道的布置在矿井的建设、开采过程中，必定破坏了围岩原有的应力平衡，使其重新分布。因此，合理的选择巷道位置对矿山压力显现是很重要的。假设巷道开掘在原岩应力区，则巷道受压小，易于维护；假设开掘在支撑压力影响区，巷道受压则比较大。2〔2〕支护方法在巷道开掘后，巷道围岩与支架共同承当着上覆岩层所施加的载荷，也就是“支架-围岩〞互相作用关系。经验说明，支架稳定性好，矿压显现则不显然；支架稳定性越差，矿压显现越显然。〔3〕工作面推动速度工作面推动速度越快，顶板下沉量越小，顶板下沉速度加剧，矿压显现越显然。例如，前苏联某工作面推动速度由3.5m/d上升到13.5m/d，顶板下沉速度增加了一倍，同时也消除了部分下沉量。采高越高，工作面矿压显现越显然；采高越低，工作面矿压显现越缓和。依据淮南矿区的测定，在开采单一煤层或厚煤层第一分层时，采高与冒落带和裂缝带的总厚度成正比关系。二关键层对岩层移动的的影响众所周知，由于煤系地层的分层特性差异，因而各岩层在岩体活动中的作用是不同的。有些坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体与骨架作用；有些较为软弱的薄岩层在岩层活动中只起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承当。因而，我们把在岩体活动中起主要控制作用的岩层称之为关键层。于是，关键层的定义可做如下表述：在采场覆岩层中存在多个岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破断特征，在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是互相协调一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。也就是说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上部岩层产生整体运动。显然，关键层的断裂步距即为上部岩体部分或全部岩层的断裂步距，从而引起显然的岩层运动和矿压显现。关键层由其岩层厚度、强度和载荷大小而定。①三、回采工作面顶板控制1.全部垮落法控制顶板老顶达到极限跨距后，随着工作面的推动，老顶发生初次断裂，垮落的岩石在采空区内重新胶结，形成“砌体梁〞结构，达到新的平衡关系，有效的缓解了上覆岩层的移动。随着理论、技术的逐渐完善，采纳全部垮落法控制顶板已得到广泛使用，并在安全管理方面取得了显著成效。单体支架由金属支柱和金属铰接顶梁组合而成的支架，按其金属支柱的特性有可分为：摩擦式金属支架和单体液压支架。〔1〕摩擦式金属支架：摩擦式金属支架曾在我国广泛使用，其支柱有急增阻式和微增阻式两种。它是通过调节控顶距来适应各类顶板。由于其工作寿命过短，现已日渐被淘汰。〔2〕单体液压支架：单体液压支架的液压支柱是典型的恒阻式支柱。安设支架以后，通过调节活柱使支架很快达到额定阻力，因此，它始终可以坚持工作助力不变，能对顶板较好的支撑和维护。由于单体支架没有较好的掩护性能，对外界的抵抗力也比较弱，在来压时必需采用相关措施：〔1〕保证支柱有足够的初撑力。〔2〕防止支柱钻底。〔3〕支设特种支护，起到双保险。〔4〕在老顶来压时，尽量避免“回柱放顶〞。〔3〕综采工作面顶板控制综采机械化标志着采煤技术达到了“现代化〞，施行说明，回采工作面在采纳液压支架之后能较大的强化其控顶能力，假设再加以科学的管理，则能使工作面生产效益和安全系数大大增加。液压支架按其特点可分为支撑式、掩护式、支撑掩护式三类。〔1〕支撑式：通风面积大，切顶效果好，质量轻，工作阻力高，支撑速度快。适用于倾角小于15°，厚度为0.6～3.6m，顶底板较为平整、稳定的煤层。〔2〕掩护式：对机道上方顶板进行支撑，对采空区冒落的矸石进行掩护。适用于倾角小于15，厚度大于0.9m，采高较大，周期来压步距稳定，顶板比较破碎的中厚煤层。〔3〕支撑掩护式：它兼有支撑式和掩护式支架的优点，适应性较强。适用于倾角小于20°，顶板比较破碎的中厚以上煤层。四、回采工作面顶板事故防治回采工作面冒顶事故按一次冒落范围大小可分为局部冒顶和大面积冒顶；按力学因素可分为压垮型冒顶、漏垮型冒顶和推垮型冒顶。统计数据显示，局部冒顶范围在3～5个支架范围内，伤亡人数一般在1～2人左右，多发生于破碎顶板，占顶板事故的65%～75%。大面积冒顶则范围比较大，伤亡人数3人以上，多发生于坚硬顶板。在工作面推动的过程中，直接顶垮落后未能充满采空区，在老顶周期来压时导致工作面应力集中，在这种状况下就很容易发生大面积冒顶事故【3】。大面积冒顶事故有着显然的预兆，比如顶板发出断裂声，工作面压力增大，煤质松软等。工作面大面积冒顶事故的危害相当庞大，它直接影响到工作人员的安全和庞大的经济损失。例如，2008年12月，神木后柳塔煤矿发生大面积冒顶事故，造成4人死亡。因为工作面大面积冒顶事故危害的严重性，做好其防治工作是必要的。在目前的技术条件下，应做好如下工作防治工作面大面积冒顶事故：〔1〕提升支护强度，保证支架的稳定性；〔2〕做好监测监管工作；〔3〕严格控制采高。在冒顶事故中，局部冒顶是工作人员和管理人员一直不太注意的事故之一，根本原因在于其没有显然的预兆，但经验告诉我们，只要仔细观察，是可以发现一些预兆的，比如煤壁发出声响、片帮以及瓦斯涌出量增大等。由于人们的忽视而导致的局部冒顶事故屡见不鲜。比如，2007年1月呼伦贝尔市莫力达瓦达斡尔族自治旗巴彦奎勒河办事处109煤矿发生局部冒顶事故，2名矿工遇难。要做好局部冒顶事故防治工作，就得从根本出发，提升工作人员和管理人员的技术水平，合理选择支护类型，做好监测工作。五、结语顶板事故是煤矿“五大灾害〞之一，其事故发生率和人员伤亡率一直很高。就目前的技术水平，在事