煤礦頂板事故預防

郭光華

近年來,我國煤礦安全生產形勢持續好轉,事故起數和死亡人數呈現大幅度下降局面。但值得注意的是,我國煤礦頂板事故時有發生,安全生產形勢依然嚴峻。

頂板事故主要原因

頂板事故是指在煤礦井下生產過程中,頂板意外冒落造成的人員傷亡、設備損毀、生產終止等事故。

頂板事故相對于煤礦瓦斯爆炸、透水等事故而言,雖然每次死亡人數比較少,但其事故發生頻率較高。據中國煤炭信息研究總院寧宇院長介紹,2001—2006年,煤礦頂板事故起數占煤礦各類事故總起數的55%,死亡人數也占到煤礦總事故死亡人數的43%。近年來,煤礦頂板事故雖然也在減少,但仍是煤礦主要生產災害之一。

頂板事故多發生在煤礦掘進工作面及巷道交叉口。巷道發生冒頂的原因主要有:巷道開掘后沒有得到及時支護;巷道頂板圍巖壓力大,支護失效。采場局部冒頂常發生在上下出口、煤壁線、放頂線、地質構造處及采煤工作面附近。其主要原因有:采空區頂板跨落不好,懸頂面積過大;頂板中存在斷層、裂隙、層理等地質構造,將頂板切割成不連續的巖塊,回柱后巖塊失穩,推倒支柱造成冒落;回柱操作順序不合理;工作面支護不好,支護密度不夠,初撐力低,迎山角不合理等;在遇見未曾遇見的地質構造時,沒及時采取措施;工作面上、下出口連接兩順槽的三角區,控頂面積大;煤壁線附近容易形成“人字”“鍋底”“升斗”等劈理(變形巖石中,使巖石易于沿一定方向劈開而形成無數薄片的面狀地質構造),導致冒落。

山西長平煤業有限責任公司長平礦就是一個遭受頂板事故威脅的煤礦。長平礦是一個新建的現代化礦井,煤炭賦存條件復雜,井田范圍內煤層強度低,節理、裂隙、斷層、陷落柱等發育較多,而且盤區、采面巷道均沿煤層底板掘進(巷道留煤頂),掘進斷面大,支護難度很大。加之礦井采煤方法為綜放開采,工作面頂板管理難度很大,稍有不慎,就有可能造成冒頂事故。因此,自建設及投產以來,長平礦有針對性地加強了對采掘工作面頂板控制技術的研究、分析,并且采取了多種措施來預防冒頂事故。

頂板事故預防措施

為了從設計源頭上保證煤礦巷道支護科學合理、安全可行,長平礦在建井伊始,便積極和有資質、有實力、有信譽的科研院所合作,引進了先進的煤巷錨桿支護技術理念及動態信息設計法,進行煤巷錨桿支護設計。

動態信息設計法包括試驗點的調查和地質力學評估、煤柱留設、初始設計、綜合監測和信息反饋、修正設計和日常監測。在詳細調查試驗點和評估地質力學參數的基礎上,設計人員采用國際先進的有限差分數值計算程序,同時結合豐富的設計經驗,提出了初始設計。初始設計包括支護形式和參數、支護材料、井下施工工藝和安全技術措施、礦壓監測等內容。設計實施后,設計人員及時獲取了礦壓監測的驗證數據,并根據實際情況及時進行修改。通過嚴格控制設計源頭,保證了設計科學合理,從而促進了掘進工作面的頂板事故控制。

工程質量控制是影響到能否管理好工作面頂板的關鍵因素,尤其是掘進工作面錨桿和錨索的排間距、預緊力、錨固力、噴層厚度和強度,綜采工作面的直線度、采高、端面距等指標的控制十分關鍵。

首先,長平礦要求強化全員的工程質量意識,加強現場管理力度,嚴格對工程質量進行考核,確保各項頂板控制措施能切實落實到現場施工中去。同時,礦里深化了采掘工作面礦壓監測,礦壓監測數據一方面將直接作為修改完善設計的依據,另一方面也反映出了巷道頂板及采煤工作面頂板壓力顯現情況,是生產現場頂板安全狀況的直接體現。礦里將采、掘工作面的礦壓監測,作為一項保證頂板安全的重要工作來抓,并要求每一個作業隊組的礦壓觀測人員決不能對礦壓觀測工作敷衍了事。

其次,長平礦采用各種物探手段,加強了構造探測,以便采掘時有針對性地采取相應的措施。由于長平礦礦井地質條件復雜,在采掘前及采掘中要采用三維地震、音頻電透、瞬變電磁、無線電坑透等物探手段,探明相應區域內構造發育類型、位置、影響范圍等情況。構造探明后,礦里有針對性地采取了應對措施。一是從設計上優化工作面的布置,在盡可能少損失資源的前提下繞開大型復雜地質構造,以避免構造給頂板安全管理帶來困難。二是在小型復雜地質構造中硬過時,提前采取相應措施,包括方案制定、材料準備、調整銜接等。

長平礦還加強了掘進工作面構造支護技術研究,確保巷道頂板控制安全可靠。在過圍巖較穩定的小型復雜地質構造時,礦里采取了及時縮小錨桿、錨索排間距或加大錨桿、錨索直徑或長度的方法,實現了頂板的有效控制。在過圍巖不穩定、有淋水情況的小型復雜地質構造時,礦里以原有錨桿支護為主,采取了套梯形金屬棚來加強支護。此外,在復雜地質構造影響區域較大、有淋水且大斷面的主要巷道中,礦里采用了架拱形棚、噴漿支護的方式管理頂板。在復雜地質構造影響區域較大、圍巖十分穩定、淋水較大、且是主要巷道的情況下,礦里采取了打止漿墻注漿加固、下管棚臨時支護、架拱形棚支護噴漿封閉的方式管理頂板,必要時采用封閉式拱形支架支護,確保了對圍巖的有效控制。

在此基礎上,長平礦還加強了對回采工作面構造區域的頂板控制技術研究,確保采煤工作面頂板控制安全可靠。復雜地質構造對回采工作面頂板控制影響很大,因此,在布置上必須避免工作面過大型復雜地質構造,實施中可以采取“多切眼、刀把式”布置,避開大型復雜地質構造。對于回采面推進通過難度不大的構造,則可采取硬過的辦法:根據現場情況及時縮小端面距、調整好直線度,超前推溜拉架,必要時上板梁或“工”字鋼、金屬網護頂。在過斷層要托頂煤開采時,必須調整好支架的仰俯角,同時保證支架接頂嚴密,從而實現對頂板的有效控制。

要搞好頂板安全管理,科學合理設計是基礎,抓好工程質量是根本,加強構造探測是保障,加強采掘面過構造技術研究是關鍵。只有科學預測,統籌安排,才能超前防范,防患于未然,從而避免頂板事故。(圖片由余茂君提供)

編輯余茂君