急倾斜煤层顶板事故原因及防治措施研究

摘 要：急倾斜煤层顶板事故一直是威胁采矿安全生产的重大灾害之一，文章分析了急倾斜采煤顶板运动规律，将急倾斜煤层顶板事故分为漏垮型冒顶、压垮型冒顶、复合顶板推垮型冒顶、冲垮型冒顶四种不同类型，论述了倾斜煤层工作面矿压显现特点，提出了有针对性的控制方法和手段，为我国的急倾斜煤层的安全高效开采提供了理论指导。

关键词：急倾斜煤层；顶板；冒顶；防治措施

引言

急倾斜煤层储量占我国煤炭总储量的40%，分布广泛，几个比较大的煤炭基地，都有急倾斜煤层，如黑龙江省四大矿区具有急倾斜煤层，新疆矿区50%煤层为急倾斜煤层。急倾斜煤层大多地质条件复杂，煤层经过多次地质变动，煤层倾斜角度变大，煤层赋存不稳定，导致急倾斜煤层开采在煤层开采顺序、开采方法、开采工艺、工作面支护、顶板管理、工作面矿压显现规律等方面与缓倾斜煤层相比均有所不同，且急倾斜煤层的矿山压力分布复杂，顶板事故多，给煤矿安全开采和井下作用人员生命安全造成极大威胁[1，2]。据统计，急倾斜煤层矿井顶板事故占矿井事故的46.43%，因此，深入分析急倾斜煤层顶板事故原因和条件，研究有效的顶板事故防治措施，已成为亟待解决的重大课题[3，4]。

1 急倾斜采煤顶板运动规律

急倾斜采煤工作面的顶板事故是由直接顶和老顶大面积运动造成，特点是顶板突然来压面积大、破坏性大，导致支架大量折断，造成灾难性事故，往往导致采煤工作面人员伤亡，设备损坏，严重影响煤矿安全生产。顶板事故是由开采过程中矿山压力的活动所造成，因而必须了解工作面超前支撑压力峰值位置和范围，才能预测开采过程中顶板破坏和断裂位置[5]，进而采取合理措施防止急倾斜煤层顶板事故发生。根据大量现场数据及相关文献研究，分析总结了急倾斜煤层超前支撑压力峰值位置和范围的影响因素以及变化规律。

1.1 煤层倾角是影响工作面超前支撑压力峰值位置和作用范围的重要因素

由于煤层倾角的变化造成工作面上覆岩层结构发生变化，导致工作面超前支撑压力峰值位置和作用范围与水平煤层不同，工作面上覆岩层在重力的作用下，直接顶岩层发生法向弯曲，并向采空区方向的移动和滑落，采空区偏上山方向的上方覆岩易发生破坏。

1.2 煤层倾角变化与巷道超前支撑压力峰值位置和作用范围变化具有规律性

在煤层倾角一定的条件下，随着工作面的不断掘进，巷道超前支撑压力范围逐渐减小，压力峰值逐渐向下端头位置靠近；在工作面推进距离一定的条件下，研究分析了煤层倾角与巷道超前支撑压力范围和峰值位置的关系曲线，发现其曲线都为上凸型或近似上凸型，说明随着煤层倾角的增加，支撑压力范围先增大后减小，支撑压力峰值位置先向远离下端头的位置移动，后又逐渐向下端头靠近。经理论计算与实验验证，当煤层倾角接近70°时，支撑压力达到最大值，此时下巷顶板应力集中程度加剧，容易发生更大区域的破坏，另外中巷道与工作面的拐角处以及下端头位置也是应力集中区，这些位置是易发生顶板事故的危险区域，应提前对这些位置采取相应的解危措施，并通过增加支柱数量和承载力来提高支柱强度。

1.3 煤层倾角变化与工作面超前支撑压力峰值位置和作用范圍变化具有规律性

煤层倾角的变化对工作面超前支撑压力作用范围和峰值位置的影响恰好与巷道的相反。煤层倾角与工作面超前支撑压力作用范围和峰值位置曲线均呈下凹型。当煤层倾角为70°时，工作面超前支撑压力作用范围最小，随着工作面推进距离的不断增加，工作面超前支撑压力作用范围均减少10m左右。工作面推进距离与工作面超前支撑压力作用范围和峰值位置呈递减关系，当煤层倾角为70°时，随工作面推进距离的不断增加，工作面超前支撑压力峰值位置逐渐向工作面方向靠近，此时工作面前方顶板的应力高度集中，易被拉断或剪断，工作面发生冲击地压事故危险性增加，因而需采取必要的预防措施，加强工作面的支护强度，避免冲击事故发生。

2 急倾斜采煤工作面的顶板事故类型

急倾斜煤层工作面顶板事故类型有四种：

（1）漏垮型冒顶。发生事故的工作面煤层倾角较大，直接顶异常破碎、松散，若不能及时有效的控制顶板，如采场支护系统中有某个地点失效发生局部漏冒，顶板上部抽空后，就会因支护失稳而发生漏垮型冒顶事故。（2）压垮型冒顶。这类顶板事故是垮落带老顶岩块压坏采场支架导致冒落，大多发生在采煤工作面老顶初次来压或周期来压期间，这类事故危害程度一般比较严重，但是发生频次比较低。其特征是直接顶与老顶之间首先发生离层，而老顶却未见明显移动，然而当老顶突然下沉时，会对工作面产生强烈冲击，造成煤壁片帮，顶板急剧下沉，采场支架因冲击载荷的作用，液压支柱急剧收缩，甚至发生折断，导致冒顶事故发生。（3）复合顶板推垮型冒顶。复合顶板一般是由下层较软而上层较硬的岩层构成，一般在采矿活动与地质构造的共同作用下，使下层软岩沿煤帮断裂发生冒顶事故。推垮型工作面顶板事故是急倾斜煤层经常发生的顶板事故，占急倾斜煤层顶板事故的较大比率。复合顶板推垮型冒顶事故一般是人为原因引起的，如放顶、放炮等采煤工序诱导附近煤壁的顶板发生破碎、下沉，使煤壁处煤体压酥片帮，顶板沿倾斜方向滑动，造成推垮型冒顶。（4）冲垮型冒顶。冲垮型冒顶的煤层顶板一般为厚度较大的整体硬岩层，其悬露面积可以达到几千平方米甚至几十万平方米，由于采空区大面积悬顶，在四柱放顶时，巨大的顶板在瞬间沿着倾斜方向向下运动，产生严重的冲击破坏活动，并把采空区中的空气挤出，形成巨大风暴，冲击工作面和巷道，造成严重的灾害事故。

3 急倾斜煤层采面矿压显现特征

急倾斜煤层中，巷道围岩压力主要来自煤层仰斜的斜上方，对于上巷岩层，应为受到上覆岩层的作用，发生弯曲变形，且因受到深部岩层的阻挠，导致上巷比下巷受到三角岩柱下更大的滑力作用，一般导致上巷上半部煤体鼓出，而下巷一般是下半部发生鼓帮，并且巷道上巷一侧比下巷一侧的移动量大，相比更容易产生破坏。采空区冒落的岩石在重力作用下，沿煤层倾斜方向向下滑落，倾角越大滑落得越厉害，采煤工作面下部采空区充填得越充分，对直接顶的支撑力作用力越大，阻止减缓其顶板继续冒落，而采空区上部形成大面积自由空间，会出现“放空”现象，煤壁帮、顶板下沉的现象将会变得更加明显，造成工作面上部顶板不如下部稳定，工作面支护的承载状况的不均性。因此要求该区域支护具有更高的稳定性和承载能力，在工作面上部以及新工作面刚开采不久时，容易出现冒顶事故。

4 顶板事故的原因分析

通过对采煤工作面顶板管理状况来顶板事故发生的原因分析，顶板事故的直接原因一般是支柱的初撑力与工作阻力偏低不能抵抗顶板压力，以及控顶距过大[6]。

（1）支柱初撑力过低。通过对采煤工作面的矿压观测统计结果表明，顶板来压时采煤工作面支护发生破坏，都是由于支护系统的刚度不够。这是因为单体液压支柱初撑力因为工人操作误差、煤层底板松软导致支柱钻底等因素造成的。经过大量现场实测，发现单体液压支柱实际初撑力基本在45-80kN之间，与设计初撑力差距较大，极易导致直接顶离层，酿成冒顶事故。（2）支柱工作阻力达不到设计要求。大量急倾斜煤層采煤工作面的矿压观测结果表明，单体液压支柱大多处于较低工作阻力状态，70%左右的单体液压支柱工作阻力在150kN以下，且与支柱的设计工作特性曲线存在较大差异，因单体支柱工作阻力与设计值存在较大差异，导致整个采场的单体支柱工作阻力不均匀，支护结构整体稳定性差。（3）控顶距过大或顶板未得到及时支护。随着工作面的推采，顶板悬空面积增大，应及时采取断顶措施，如果工作面控顶距离过大或顶板未得到及时支护，就有可能导致顶板挠曲、下沉或直接顶过早离层，造成顶板破碎，直至冒顶。

5 顶板事故的防治措施

（1）漏垮型冒顶事故防治措施。急倾斜煤层工作面应采取合理的开采顺序，选择合适的位置开掘巷道，尽量通过科学合理的开采设计，减小工作面支承压力对顶板的破坏；提高工作面的推进速度，尽量缩短空顶和支撑时间，从而防止松软顶板破碎恶化；支柱与支柱间应尽可能采用辅助联结手段，增强支柱整体性，防止支柱沿倾斜推倒；液压支柱穿铁鞋支，确保工作面初撑力达到设计要求，及时整改变形、失脚的支柱，保证工作面支柱均匀承载，杜绝因局部掉顶造成漏垮型冒顶事故。（2）压垮型冒顶事故防治措施。当工作面发现有大冒顶明显预兆时，必须采取措施，如加强支护、停产观察等；有条件的矿井应建立矿压观测和顶板动态监测系统，为工作面支护提供依据；当煤层上部为坚硬岩层且不易垮落时，要采用强制放顶或向顶板高压注水，使其强度降低而自然垮落；在基本顶初次来压期间，加大工作面控顶距；工作面来压明显、出现下沉台阶时，要采用特种支护形式加强支护；保证采场有足够的支护刚度，尽力提高切顶支护阻力。（3）复合顶板推垮型冒顶事故防治措施。对离层的情况进行动态监测，防止离层型顶板大面积垮塌，尽力避免破顶掘进，同时对上覆岩层采用锚杆支护，将上覆层状岩层咬合成整体，以提高直接顶的自承能力。对于复合顶板，要坚持“支、护”并重的方法，提高支柱的初撑力和增加支架的稳定性，保证支柱有足够的工作阻力，对机道进行加强支护，防止工作面沿煤壁切顶，顶板下沉、离层，避免离层而造成的推垮型冒顶事故。（4）冲垮型冒顶事故。工作面要沿煤层倾斜方向布置，即呈正倾斜推采，避免呈仰采或俯采推进；对于稳定性好较坚硬顶板，保证支柱有足够的初撑力与工作阻力，通过加大对工作面和巷道的支护密度来提高整个支护体系的强度；提高切顶效果，及时对采空区进行处理，并对悬顶采取必要的强制放顶措施；对坚硬顶板应尽可能实行区域性注水软化或开采保护层，降低坚硬顶板的强度，使其软化；对硬厚顶板应采用高阻力切顶墩柱或强制放顶技术；提高切顶支护阻力，令直接顶沿切顶线冒落。（5）加强工作面工程质量管理。对于有冒顶危险的区域，还应认真搞好工作面支护质量监测与顶板安全评估工作，严格按作业规程及措施施工；严格执行工作面质量验收制度，对于不合格的工程，技术管理人员立即督促整改；建立完善的联责联保制度，清楚划分工作面各级管理人员的责任区域，把工程质量与个人责任及收入挂钩。

6 结束语

顶板事故是急倾斜矿井多发事故，分析急倾斜煤层顶板变形破坏规律，掌握急倾斜煤层的矿压显现特点及其规律，总结急倾斜煤层顶板事故的类型，对于急倾斜煤层应设计合理的急倾斜煤层的开采方法、顶板管理方法和巷道布置方式，选择合理的巷道支护方式，掌握采场上履岩层的运动规律，采取针对性的预防措施，多项措施综合解决急倾斜煤层顶板事故，提高煤炭资源的回收率并保证井下人员安全生产。

参考文献

[1]宋振骥.实用矿山压力控制[M].中国矿业大学出版社，1988.

[2]王卫军，朱川曲.急倾斜煤层巷道放顶煤理论与实践[M].煤炭工业出版社，2001.

[3]李栖风.急倾斜煤层开采[M].煤炭工业出版社，1984.

[4]谢东海，冯涛，赵伏军.我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势[J].科技信息，2007.

[5]唐建新.急倾斜煤层长壁回采工作面窜矸防治措施[J].矿业安全与环保，2002.

[6]胡祥科.倾斜煤层工作面不同类型顶板事故特点及其控制[A].矿山建设工程新进程-2006全国矿山建设学术会议文集[C].2006.

作者简介：石宇（1984-），男，辽宁阜新，本科学历，助理工程师，研究方向：矿山压力与矿井动力灾害防治。