煤矿顶板灾害预警及防治对策研究

胡立年

(晋城市煤炭规划设计院，山西 晋城 048000)

当前，煤炭在我国能源结构中占有很大比重，煤炭工业仍是我国国民经济发展和国力保障的重要基础。但随着煤炭工业的快速发展，安全生产问题依旧严峻。煤矿事故包括:瓦斯煤尘爆炸事故、顶板事故、水灾事故等。顶板事故是指在煤炭井下开采过程中，顶板意外冒落而造成的人员伤亡、设备损毁、生产终止等事故。煤矿开采中的顶板事故大多是由于从业人员素质不高、管理不善造成的。因此，分析煤矿井下常见顶板事故的发生因素，加强顶板管理，减少和杜绝顶板灾害事故的发生，对提高我国煤炭工业安全生产具有重要意义［1－2］。

1 煤矿常见顶板灾害及成因分析

1.1 煤矿顶板事故类型

顶板事故是煤矿生产过程中最常见的威胁职工生命安全的事故之一。煤矿井下常见的顶板事故主要分为以下2类:采煤工作面(掘进)顶板事故和巷道顶板事故［3］。

1)采煤工作面顶板事故。

随着煤炭开采机械化程度的提高和发展，顶板事故逐年减少，但对于松软煤层、薄煤层、深部开采等地质条件，顶板灾害仍时有发生。根据顶板灾害力源及范围，采煤工作面顶板灾害事故可以分为以下几类:

a)漏冒型顶板灾害。

煤矿采掘过程中原来已有的顶板破碎没有得到有效地监控修复支护，进而导致冒顶事故的发生。根据现场开采的地质条件有以下几种:大面积漏冒、局部漏冒、靠煤壁附近或者综采工作面的上下出口处等。这些地方支护空顶距离较大，煤矿生产过程中支护不及时或无支护，煤层顶板松软下沉等因素都是导致漏冒型顶板事故的因素。

b)压垮型顶板灾害。

在采煤工作面掘进方向，当工作面支护力度不足时，垂直于层面方向的顶板压力会使采煤工作面的支护出现严重的台阶下沉，甚至出现压垮现象，造成严重的顶板事故，致使煤矿生产终止或者人员伤亡。

c)推垮型顶板灾害。

在平行于采煤工作面推进方向的顶板力推倒工作面的支架而导致的顶板事故。当采煤工作面由不同岩层组成，并且各岩层之间有弱面时，则煤层较软的部分容易发生断裂、下沉，当碎煤量积累到一定程度时，在重力的作用下容易向支撑力不足的地方塌陷，随着塌陷的不断发展，容易引起支护大面积倾倒，进而发生推垮型顶板事故。

2)巷道顶板事故。

a)掘进工作面顶板灾害。

在煤矿掘进后，顶部岩层应力作用发生变化，卸压的平衡状态破坏，如果支护不及时，随时有可能发生顶板事故。如果掘进工作面附近已有支护的强度不够，也会造成局部支护失效，造成顶板事故。

b)巷道交岔处顶板灾害。

巷道交岔点处空顶面积较大，顶部岩层与周围岩层失去控制，造成松动，容易发生顶板事故。所以，此处对支护强度和稳定性要求很高，交叉口处支护错综复杂。如果支护强度不足，极易发生顶板事故。

1.2 煤矿顶板事故成因分析

煤矿顶板事故是煤矿生产中不容忽视的重要灾害事故之一，严重危害煤矿的安全生产［4］。顶板事故的产生分为人为因素和自然因素。

1)煤矿井下从业人员素质不高，安全知识技能不足，对井下开采地质条件不了解，对矿压活动规律与机理认识不到位，支护管理不善，盲目施工，造成严重的顶板事故，导致人员伤亡，设备损坏，生产终止等。

2)煤层倾角、采煤工作面及巷道附近围岩性质和组成、矿井地质构造、开采深度和煤层厚度都是造成顶板事故的重要因素。其次，矿井开采技术也是造成顶板事故的主要原因。比如，采煤工作面的支护方式，采空区的处理方式，工作面支护布置方式，支护工艺与支护参数，围岩变形角度控制等都是造成顶板灾害的重要因素。

2 煤矿顶板事故防治策略

分析煤矿常见的顶板灾害及产生原因，减少和杜绝煤矿顶板事故的发生，对提高煤矿的安全生产具有重要意义。因此，采取和制定合理的顶板事故防治策略很有必要［5］。

1)加强顶板管理。

煤矿顶板事故具有零散和频繁发生的特点，这类事故分布范围广，人们不够重视，造成管理不善。煤矿生产从业者素质不高、矿井地质条件复杂、施工条件简陋、机械化程度不高等都是诱发顶板事故的主要因素。因此，加强顶板管理就应该在地质勘探、规划设计、施工管理、支护方式与措施整个过程严密监控，减少和杜绝顶板事故的发生，为煤矿的安全生产提供保证。

2)制定科学的支护工程预警监测方案。

通过对煤矿顶板动态、围岩应力、锚杆受力、支架受压进行实时监测，掌握巷道和采煤工作面顶板状态，实现煤矿顶板事故的预警，为综采工作面和巷道的稳定和安全提供科学依据。

3 煤矿顶板灾害监测系统应用

建立巷道和采煤工作面顶板在线监测系统，能够及时有效发现造成顶板事故的潜在隐患，为支护的修复和加强提供科学依据。通过采用先进的传感技术对煤矿顶板动态、围岩应力、锚杆受力、支架受压进行实时监测，对监测数据进行分析处理，实现煤矿顶板安全监测和事故突发预警，为煤矿安全生产提供保障［6］。

目前，中国矿业大学联合国内煤炭装备集团公司研发的煤矿顶板灾害监测系统能够及时有效地对巷道和采煤工作面顶板进行实时监测，主要分为以下几个功能:

1)监测掘进和回采巷道的顶板离层位移与速度。2)监测锚杆支护巷道锚杆或锚索的载荷应力。3)监测巷道围岩或煤柱内部应力。4)监测综采工作面支架和超前支护工作阻力。5)井上计算机在线动态显示监测参数和超限预警。6)该系统监测的数据自动存储，可以历史查询以及数据信息共享。煤矿顶板安全监测系统示意图见图1。

图1 煤矿顶板安全监测系统示意图

4 总结

本文介绍了煤矿顶板安全在线监测系统的应用，通过采用先进的传感技术对煤矿顶板动态、围岩应力、锚杆受力、支架受压进行实时监测，对监测数据进行分析处理，能够及时有效发现造成顶板事故的潜在隐患，为支护的修复和加强提供科学依据，实现煤矿顶板安全监测和事故突发预警，为煤矿安全生产提供保障。

［1］毛德兵，尹希文，张会军.我国煤矿顶板灾害防治与监测监控技术［J］.煤炭科学技术，2013，41(9):105－108.

［2］张晋武.煤矿顶板事故发生的地质因素与防治对策［J］.山西煤炭，2012，32(7):69－73.

［3］疏礼春.煤矿顶板动态在线监测系统［J］.煤矿安全，2012，43(10):92－96.

［4］岑传鸿.顶板灾害防治［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1989:133－135.

［5］侯朝炯.巷道围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2013:85－86.

［6］王连国，李明远，王学知.深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16):2889－2893.