厚層堅硬頂板冒頂的預防及處理

摘要:介紹了厚層堅硬頂板冒頂事故類型、事故案例分析以及事故的預測、預報和處理方法。

關鍵詞:厚層堅硬頂板冒頂 預防 處理

1 概述

位于煤層上面的巖層叫煤層頂板。根據頂板的堅硬程度和距煤層的遠近，可將煤層頂板分為偽頂、直接頂和基本頂三種。從頂板管理角度分析可將頂板分為:易垮落的松軟頂板、中等垮頂板、難垮落的堅硬頂板、極難垮落的堅硬頂板和塑性彎曲頂板等五類頂板。

頂板事故是指在地下采掘過程中，因為頂板意外冒落造成人員傷亡、設備損害和生產中止等事故，是煤礦生產的主要災害之一。

當煤層頂板是整體厚層硬巖(如砂巖，砂礫巖，礫巖等，其分層厚度大于5-6m)時，它們要懸露幾千平方米，甚至十幾萬平方米才冒落，這樣大面積的頂板在極短的時間內冒落下來，不僅由于重量的作用會產生嚴重的沖擊破壞力，而且更嚴重的是會把已采空區的空氣瞬時擠出，形成巨大的暴風，破壞力極強。

2 厚層堅硬頂板冒頂的機理

關于厚層堅硬頂板冒頂的機理，其一頂板大面積懸露后，因彎曲應力超過其強度導致頂板巖層斷裂，并大面積垮落，其二，頂板大面積懸露后，采空區周邊煤柱上方巖層內的剪應力超過其極限強度導致頂板巖層大面積冒落。

這類事故的特點是冒頂面積大、來勢兇猛、后果嚴重。事故原因是直接頂和基本頂大面積運動造成的。由直接頂運動所造成的垮面事故，按其作用力性質和頂板運動時的始動方向又可分為以下兩類:①推垮型事故，②壓垮型事故;由基本頂運動所造成的垮面事故，按其作用力性質和頂板運動始動方向不同又可分為以下兩類:①沖擊推垮型(即砸垮型)事故。②壓垮型事故。歸納上述頂板事故，大致情況如下圖

3 厚層堅硬頂板冒頂事故分析

某礦煤層頂板為塊狀、厚層堅硬、裂隙不發育的中砂巖，平均厚3.05m。工作面回采工藝:長壁工作面，人工打眼，分段爆破落煤，人工攉煤，40型刮板輸送機轉載到順槽刮板輸送機。頂板支護為金屬摩擦支柱、金屬絞接頂梁齊梁直線柱正懸梁方式，三、四排管理，最大控頂距4m、最小控頂距3m。采空區頂板管理采用自然垮落法結合人工強制放頂。工作面兩個安全出口采用帶帽點柱超前加強支護20m，設計每班一個循環。采區開采煤層厚度為1.8～2.2m，基本無偽頂，直接頂與底板均為砂巖。在開采中遇小層較多，節理裂隙較發育，還發現部分無炭柱，地質構造較復雜。

事故當天零點至八點班，采煤隊共22名職工負責工作面生產作業。召開班前會后，職工從23時30分陸續入井到達各自作業崗位。其中有1名跟班隊長、1名分隊長，此二人流動作業，工作面人員對上班余煤進行清理并移機頭，之后由于刮板輸送機故障，檢修進行了兩個多小時，約凌晨3時將機械故障排除，開始進行打眼爆破等回采作業。當第二茬炮的落煤快出完時，約凌晨4時30分，工作面中部頂板突然發生垮落，造成大面積壓垮型冒頂事故。造成12人死亡、3人受傷特大事故(見下圖)。

事故原因分析:

3.1 工作面煤層頂板為塊狀、厚層堅硬頂板，采空區大面積懸頂，在繼續推進中缺乏對頂板壓力變化情況的掌握，前方煤體頂板中有一原生裂隙，斷裂的直接頂將變薄的工作面煤壁壓垮，瞬間摧毀工作面支護，是造成這起大面積冒頂事故的直接原因。

3.2 對形成三角形頂板、頂板較硬不易垮落的情況實施強制放頂效果不好，也沒有發現頂板變厚的情況，沒有進一步采取針對性措施，現場管理水平低，是造成事故的重要原因。

3.3 應用壁式采煤法，沒有先進的礦壓監測手段，頂板管理技術力量和技術水平不高，未能預見復雜生產條件下可能出現的意外情況，也是造成這起事故的一個原因。

3.4 總的來說，導致這起事故的直接原因，一是由于直接頂厚度增大，頂板不易垮落，致使空頂面積增大;二是在工作面前方有一條與其平行的原生裂隙，頂板在煤壁前方已經斷開。隨著工作面推進，空頂面積加大，距裂隙越近而頂板的受力及支撐狀態越加不穩，當推近至裂隙一定距離時，頂板穩定狀態完全被打破，造成壓垮型冒落。

4 厚層堅硬直接頂和基本頂頂板冒頂的主要預兆

4.1 頂板斷裂聲響的頻率和音響增大

4.2 煤幫有明顯的受壓與片幫現象

4.3 底板出現底鼓或沿煤柱附近的底板發生裂隙。

4.4 巷道(上，下平巷)超前壓力較明顯

4.5 工作面中支柱載荷和頂板下沉速度明顯增大

4.6 有時采空區頂板發生裂縫或淋水加大，向頂板中打的鉆孔原先流清水后變為流白糊狀的液體，這是斷裂巖塊互相摩擦形成的巖粉和水的混合物。

5 厚層堅硬頂板冒頂的預測、預報和處理方法

5.1 預測、預報 厚層堅硬頂板冒頂可以用微震儀、地音儀和超聲波應力儀等進行預測，因為厚層堅硬巖層的破壞過程，長的在冒頂前幾十天就出現聲響和其它異常現象，短的在冒頂前幾天，甚至幾小時也會出現預兆。因此，根據儀器測量的結果，再結合歷次冒頂預兆的特征，可以對冒頂作出較準確的預報，避免造成災害。

5.2 處理方法 防止和減弱冒頂危害的原則是:改變頂板巖體的物理力學性質，以減少頂板懸露及冒落面積，減小冒頂冒落高度，降低空氣排放速度，具體有下列措施:

5.2.1 頂板高壓注水。從工作面上，下平巷向頂板打深孔，進行高壓注水，注水泵最大壓力不小于15mpa。頂板注水可起弱化頂板和擴大巖層中的裂隙及弱面的作用。其主要機理是:注水后能溶解頂板巖石中的膠結物和部分礦物，削弱層間黏結力，高壓注水可以形成水楔，擴大和增加巖石中的裂隙和弱面。因此，注水后巖石的強度將明顯降低。

5.2.2 強制放頂。就是用爆破的方法人為地將頂板切斷，使頂板冒落一定厚度形成矸石墊層。切斷頂板可以控制頂板冒落面積，減弱頂板冒落時產生的沖擊力，形成矸石墊層則可以緩和頂板冒落時產生的沖擊波及暴風，為了形成墊層，挑頂的高度可按需要形成墊層的厚度進行計算。

強制放頂主要有在工作面內向頂板放頂線處進行鉆孔爆破放頂，對于綜采工作面，由于無法設置鉆眼的設備，可分別在上，下平巷內向頂板打深孔，在工作面未采到之前進行爆破，預先破壞頂板的完整性，對由于歷史上已造成有大面積冒頂隱患的地區目前又無法從井下采取措施時，可在采空區的上方地面打垂直鉆孔，達到已采區頂板的適當位置，進行爆破，將懸露的大面積頂板崩落。

6 結束語

對于厚層難冒頂板來說，不論是采取高壓注水還是強制放頂，不論是在采空區處理還是超前工作面處理，所應處理的頂板厚度均應為采高的2—3倍(包括直接頂在內)，其目的就是使處理下來的巖塊基本上能填滿采空區，從而保證安全生產。

參考文獻:

[1]陳炎光，徐永圻.中國采煤方法.徐州:中國礦業大學出版社，1991.

[2]王樹玉.煤礦五大災害事故分析和防治對策.徐州:中國礦業大學出版社，2006.4.