煤矿顶板事故预防

郭光华

近年来,我国煤矿安全生产形势持续好转,事故起数和死亡人数呈现大幅度下降局面。但值得注意的是,我国煤矿顶板事故时有发生,安全生产形势依然严峻。

顶板事故主要原因

顶板事故是指在煤矿井下生产过程中,顶板意外冒落造成的人员伤亡、设备损毁、生产终止等事故。

顶板事故相对于煤矿瓦斯爆炸、透水等事故而言,虽然每次死亡人数比较少,但其事故发生频率较高。据中国煤炭信息研究总院宁宇院长介绍,2001—2006年,煤矿顶板事故起数占煤矿各类事故总起数的55%,死亡人数也占到煤矿总事故死亡人数的43%。近年来,煤矿顶板事故虽然也在减少,但仍是煤矿主要生产灾害之一。

顶板事故多发生在煤矿掘进工作面及巷道交叉口。巷道发生冒顶的原因主要有:巷道开掘后没有得到及时支护;巷道顶板围岩压力大,支护失效。采场局部冒顶常发生在上下出口、煤壁线、放顶线、地质构造处及采煤工作面附近。其主要原因有:采空区顶板跨落不好,悬顶面积过大;顶板中存在断层、裂隙、层理等地质构造,将顶板切割成不连续的岩块,回柱后岩块失稳,推倒支柱造成冒落;回柱操作顺序不合理;工作面支护不好,支护密度不够,初撑力低,迎山角不合理等;在遇见未曾遇见的地质构造时,没及时采取措施;工作面上、下出口连接两顺槽的三角区,控顶面积大;煤壁线附近容易形成“人字”“锅底”“升斗”等劈理(变形岩石中,使岩石易于沿一定方向劈开而形成无数薄片的面状地质构造),导致冒落。

山西长平煤业有限责任公司长平矿就是一个遭受顶板事故威胁的煤矿。长平矿是一个新建的现代化矿井,煤炭赋存条件复杂,井田范围内煤层强度低,节理、裂隙、断层、陷落柱等发育较多,而且盘区、采面巷道均沿煤层底板掘进(巷道留煤顶),掘进断面大,支护难度很大。加之矿井采煤方法为综放开采,工作面顶板管理难度很大,稍有不慎,就有可能造成冒顶事故。因此,自建设及投产以来,长平矿有针对性地加强了对采掘工作面顶板控制技术的研究、分析,并且采取了多种措施来预防冒顶事故。

顶板事故预防措施

为了从设计源头上保证煤矿巷道支护科学合理、安全可行,长平矿在建井伊始,便积极和有资质、有实力、有信誉的科研院所合作,引进了先进的煤巷锚杆支护技术理念及动态信息设计法,进行煤巷锚杆支护设计。

动态信息设计法包括试验点的调查和地质力学评估、煤柱留设、初始设计、综合监测和信息反馈、修正设计和日常监测。在详细调查试验点和评估地质力学参数的基础上,设计人员采用国际先进的有限差分数值计算程序,同时结合丰富的设计经验,提出了初始设计。初始设计包括支护形式和参数、支护材料、井下施工工艺和安全技术措施、矿压监测等内容。设计实施后,设计人员及时获取了矿压监测的验证数据,并根据实际情况及时进行修改。通过严格控制设计源头,保证了设计科学合理,从而促进了掘进工作面的顶板事故控制。

工程质量控制是影响到能否管理好工作面顶板的关键因素,尤其是掘进工作面锚杆和锚索的排间距、预紧力、锚固力、喷层厚度和强度,综采工作面的直线度、采高、端面距等指标的控制十分关键。

首先,长平矿要求强化全员的工程质量意识,加强现场管理力度,严格对工程质量进行考核,确保各项顶板控制措施能切实落实到现场施工中去。同时,矿里深化了采掘工作面矿压监测,矿压监测数据一方面将直接作为修改完善设计的依据,另一方面也反映出了巷道顶板及采煤工作面顶板压力显现情况,是生产现场顶板安全状况的直接体现。矿里将采、掘工作面的矿压监测,作为一项保证顶板安全的重要工作来抓,并要求每一个作业队组的矿压观测人员决不能对矿压观测工作敷衍了事。

其次,长平矿采用各种物探手段,加强了构造探测,以便采掘时有针对性地采取相应的措施。由于长平矿矿井地质条件复杂,在采掘前及采掘中要采用三维地震、音频电透、瞬变电磁、无线电坑透等物探手段,探明相应区域内构造发育类型、位置、影响范围等情况。构造探明后,矿里有针对性地采取了应对措施。一是从设计上优化工作面的布置,在尽可能少损失资源的前提下绕开大型复杂地质构造,以避免构造给顶板安全管理带来困难。二是在小型复杂地质构造中硬过时,提前采取相应措施,包括方案制定、材料准备、调整衔接等。

长平矿还加强了掘进工作面构造支护技术研究,确保巷道顶板控制安全可靠。在过围岩较稳定的小型复杂地质构造时,矿里采取了及时缩小锚杆、锚索排间距或加大锚杆、锚索直径或长度的方法,实现了顶板的有效控制。在过围岩不稳定、有淋水情况的小型复杂地质构造时,矿里以原有锚杆支护为主,采取了套梯形金属棚来加强支护。此外,在复杂地质构造影响区域较大、有淋水且大断面的主要巷道中,矿里采用了架拱形棚、喷浆支护的方式管理顶板。在复杂地质构造影响区域较大、围岩十分稳定、淋水较大、且是主要巷道的情况下,矿里采取了打止浆墙注浆加固、下管棚临时支护、架拱形棚支护喷浆封闭的方式管理顶板,必要时采用封闭式拱形支架支护,确保了对围岩的有效控制。

在此基础上,长平矿还加强了对回采工作面构造区域的顶板控制技术研究,确保采煤工作面顶板控制安全可靠。复杂地质构造对回采工作面顶板控制影响很大,因此,在布置上必须避免工作面过大型复杂地质构造,实施中可以采取“多切眼、刀把式”布置,避开大型复杂地质构造。对于回采面推进通过难度不大的构造,则可采取硬过的办法:根据现场情况及时缩小端面距、调整好直线度,超前推溜拉架,必要时上板梁或“工”字钢、金属网护顶。在过断层要托顶煤开采时,必须调整好支架的仰俯角,同时保证支架接顶严密,从而实现对顶板的有效控制。

要搞好顶板安全管理,科学合理设计是基础,抓好工程质量是根本,加强构造探测是保障,加强采掘面过构造技术研究是关键。只有科学预测,统筹安排,才能超前防范,防患于未然,从而避免顶板事故。(图片由余茂君提供)

编辑余茂君