煤礦采掘工作面頂板管理問題的處理方法探究

魯建明

（山西魯能河曲電煤開發(fā)有限責(zé)任公司 上榆泉煤礦， 山西 忻州 036504）

為了提高采煤安全，分析了采煤工作面頂板管理存在的問題，并提出了相應(yīng)的措施，望對提高采煤安全，促進我國煤炭行業(yè)的發(fā)展有所幫助。

一、煤礦采掘工作面頂板事故原因

（一）巖石性質(zhì)

在采掘面頂板安全事故中，最為常見的事故就是冒頂。冒頂事故的發(fā)生與周邊巖石結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系。特別是在掘進過程中碰到軟弱巖石結(jié)構(gòu)時，整個巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都會受到影響，工作面容易發(fā)生應(yīng)變。如果頂板的應(yīng)變超過閾值，過大的應(yīng)力就可能破壞頂板結(jié)構(gòu)，釀成冒頂事故。此外，巖石結(jié)構(gòu)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和工作面結(jié)構(gòu)相互影響，還有可能發(fā)生離層冒頂或者是冒落事故。

（二）開采深度

通常來說，采掘工作面的相對深度越深，頂板變形或垮塌的可能性就越大。這是因為煤礦井的開采深度越深，采掘工作面上部的土層、巖層厚度就越大，因而頂板所承受的重力就越大。所以開采深度越深，就越應(yīng)該重視頂板管理問題。

（三）煤層傾角

煤層傾角對于工作面頂板事故也有誘發(fā)作用。特別是在急傾斜煤巖層開采時，煤層頂板很可能會出現(xiàn)抽條現(xiàn)象，底板也經(jīng)常會出現(xiàn)滑落現(xiàn)象。而在水平煤巖層開采時則更容易出現(xiàn)頂板冒落的事故。因此，要根據(jù)采掘工作面的煤層傾角采取恰當(dāng)?shù)捻敯骞芾泶胧?/p>

（四）地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造因素是誘發(fā)采掘工作面頂板安全事故的另一重要影響因素。在掘進采掘工作面時必須依托現(xiàn)有的地質(zhì)構(gòu)造，而很多礦井的地質(zhì)構(gòu)造都或多或少存在一些原生裂縫或斷層。一些不穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造在掘進時也可能產(chǎn)生裂縫。這些裂縫或斷層對工作面頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的負面影響，很多冒頂事故都產(chǎn)生于此。更嚴(yán)重的還會導(dǎo)致工作面連續(xù)擴展冒落，因此，必須重視地質(zhì)構(gòu)造因素的影響。

（五）地下水

地下水位高度、地下水體的運動、巖層結(jié)構(gòu)含水量同樣是采掘工作面頂板事故的影響因素。舉例來說，采掘工作面附近地下水位高或巖層結(jié)構(gòu)含水量較高，就容易發(fā)生透水，進而導(dǎo)致巖塊發(fā)生滑落，最終造成冒落事故的發(fā)生。此外，地下水還影響著采掘工作面周邊巖體的強度，高含水量必然導(dǎo)致巖體強度下降，頂板事故發(fā)生風(fēng)險上升。

（六）采高

采高指的是采掘工作面頂板和底板的距離，它也是影響采掘工作面頂板穩(wěn)定的一個重要因素。通常來說工作面的采高越高，采掘工作面頂板和底板的距離就越大，采掘作業(yè)時對頂板巖層結(jié)構(gòu)的影響就更為顯著。若采掘工作面頂板穩(wěn)定性遭到破壞，冒落等安全事故隨之發(fā)生。

二、煤礦頂板的巖層分類

煤礦采掘工作面通常情況下進行支護的主要目的在于控制工作面圍巖的變形狀況，從而為煤礦的開采創(chuàng)造出更高效和安全的空間。結(jié)合煤層和頂板巖層的位置，可以將頂板的巖層分為以下幾層：1.老頂（基本頂）；2.直接頂；3.偽頂；4.煤層。

（一）偽頂巖層

這種巖層處于煤層上層，厚度并不大，比較容易跨落。煤落的瞬間容易出現(xiàn)整塊坍塌，這種偽頂巖層的厚度通常為0.3 m～0.5 m之間。

（二）直接頂巖層

這種巖層處于煤層上或偽頂巖層的上方，主要是頁巖、砂巖和泥質(zhì)頁巖共同構(gòu)成。當(dāng)工作面支架撤回時，這個巖層可能會出現(xiàn)坍塌。

（三）老頂巖層

這種巖層處于直接頂巖層上面，但是和直接頂巖層之間保持了一定距離，厚度比較大，同時比較堅硬，主要由砂礫巖、石灰?guī)r和砂巖構(gòu)成。這種煤層通常情況下是不會伴隨直接頂巖層垮落，它會在采掘空區(qū)的上層保持一個比較大的懸露面積。由頂板的管理角度來看，頂板可以分成松軟頂板、中等垮落頂板及堅硬頂板，按照頂板分類進行頂板事故的控制能夠更加切實有效。

三、加強工作面頂板的管理對策

（一）加固局部煤層頂板

在煤礦開采過程中應(yīng)加強對局部煤層支護的重視程度。科技發(fā)展及人們能源需求量的日益增加，使煤礦作業(yè)掘進深度變得更深，這導(dǎo)致煤層之間壓力變得更大，很容易導(dǎo)致煤巖層之間出現(xiàn)離層，最終頂板因為受到壓力越來越大，其穩(wěn)定性將無法得到保證。因此，在煤礦采掘過程中，要加強對局部煤層支護的程度，提高煤巖層支撐力，減少冒頂事故發(fā)生。通常情況，局部厚煤層支護采用的主要方式是在構(gòu)造兩側(cè)開展支護工作，采用該方式不僅控制范圍廣，且具有支撐能力較強、穩(wěn)定性高、操作性強等優(yōu)勢。實際上，該種施工方式的原理就是利用局部填充方式取代垮落煤層，從而對頂板進行管理，通過這樣的操作可使構(gòu)造支撐更加完整，同時使煤層穩(wěn)定性得到進一步提高。如果在開采過程中，支柱中心位置產(chǎn)生了變化，很可能引起傾倒，從而引發(fā)安全事故。由此可見，在實際煤礦采掘過程中，需針對不同情況，選取適當(dāng)?shù)闹ёo方式，從而使頂板穩(wěn)定性得到提高，降低安全事故發(fā)生。

（二）管理穩(wěn)定煤層頂板

煤礦采掘過程中不僅要貫徹國家有關(guān)規(guī)定，同時要與實踐操作經(jīng)驗相結(jié)合，依據(jù)實際情況做好對穩(wěn)定煤層的管理工作。在工作過程中要依據(jù)相關(guān)規(guī)定對支柱質(zhì)量進行把關(guān)，包括質(zhì)量核定和定期檢查工作。a)在質(zhì)量核定過程中需確保支護穩(wěn)固整齊；b)操作過程中要對四種特殊支護進行正確使用，即貼幫、端頭出口、超前、切頂四種支護；c)要足夠重視采煤過程中的初次放頂工作，控制好各個工作之間的銜接，初次放頂前要編制好對策，每項工作都要有專人負責(zé)，推行責(zé)任制，直到工程竣工；d)管理過程中，需使用頂板動態(tài)儀器對超前支撐壓力發(fā)生的變化進行觀測，避免因為承受壓力過大而發(fā)生冒頂跨面事故。

（三）管理掘進工作面與巷道頂板的措施

對掘進工作面和巷道頂板的管理主要有以下內(nèi)容：a)應(yīng)對光爆錨噴技術(shù)和“三小”技術(shù)進行應(yīng)用和推廣，在采掘過程中無論是軟巖巷道還是硬巖巷道，都應(yīng)采用該技術(shù)。利用錨W鋼帶、錨梯型鋼筋、錨網(wǎng)代替錨桿，同時應(yīng)使用小錨桿、小藥卷、小鉆頭并對其進行推廣；b)如果巷道頂板為泥頁巖，在掘進頭30 m外將會存在0.8 m左右的松動范圍；如果巷道頂板為泥炭質(zhì)頁巖，頂板應(yīng)有1.6 m左右的松動范圍；如果在10 m出巷道處于穩(wěn)定，砂巖巷道頂板將會存在1.1 m左右的松動范圍；在掘進頭趨近70 m時石灰?guī)r巷道趨于穩(wěn)定，存在0.4 m左右的松動范圍。在實際操作過程中，如果出現(xiàn)上述任意一種情況，應(yīng)確保錨桿具有20 kN～50 kN的錨固力。在實際煤礦采掘過程中前碳鋼的種類可分為一梁二環(huán)式和一梁三環(huán)式等，可選用卡環(huán)式和可調(diào)式工字鋼，選擇卡栓式拱形金屬支架。此外，在設(shè)置沿空巷道煤柱時要注意以下事項：a)壓力降低區(qū)范圍應(yīng)為0 m～7 m；b)壓力升高區(qū)范圍應(yīng)為7 m～30 m。因此，在實際采煤工作中的沿空送巷應(yīng)在工作面兩側(cè)7 m內(nèi)完成，如果在施工過程中因為特殊條件限制，可對工作面兩側(cè)范圍進行調(diào)整，留設(shè)不小于30 m的護巷煤柱，確保施工安全性。

（四）提高工作人員專業(yè)素養(yǎng)

在煤礦的整個管理過程中必須要堅持“以人為本”的原則，施工過程中必須重視對施工人員的教育和例會管理，提高員工的責(zé)任感。對員工展開定期培訓(xùn)，提高員工的綜合素質(zhì)，確保員工在施工過程中正確把握每一個環(huán)節(jié)的施工要點，提高安全性和專業(yè)度，使管理更加可靠。

（五）做好局部采掘工作面頂板支護加固

開采深度不斷加深，煤層間的壓力會隨之不斷加大，因此更可能發(fā)生煤巖層離層現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會直接導(dǎo)致采掘工作面頂板應(yīng)力不斷加劇，穩(wěn)定性降低。因此，在做好采掘工作面頂板管理的同時，必須要重視局部采掘工作面頂板的支護加固工作，強化頂板巖層的支撐能力，提升頂板穩(wěn)定性，降低頂板事故發(fā)生概率。當(dāng)煤礦采掘工作面遇到局部厚煤層時，通常會在煤層構(gòu)造帶兩側(cè)進行支護，利用局部位置的支護來代替施工中已垮落的煤層，對頂板起到支撐作用。其優(yōu)點在于支撐強度大，頂板穩(wěn)定性好可控范圍較大且易于操作。但該方法并非一勞永逸，若煤層繼續(xù)加厚，采高進一步升高，則煤礦礦井的礦壓效應(yīng)逐漸凸顯，采掘工作面的支柱不斷加高，支護的穩(wěn)定性降低。若頂板支護的中心位置發(fā)生變化，支柱容易發(fā)生傾倒，發(fā)生冒頂、冒落等安全事故。此時要根據(jù)現(xiàn)場情況，采取合適的支護方式，保障采掘工作面頂板的穩(wěn)定性。

（六）應(yīng)用敲幫問頂

敲幫問頂指的是施工人員在進入采掘工作面前，先利用撬棍、長鋼釬等工具敲擊頂板、側(cè)壁等位置，通過聲音判斷頂板的狀態(tài)。敲擊的過程應(yīng)秉承由重到輕的順序，這一方式可以判斷出采掘工作面頂板的多種問題，特別是對離層問題有較好的診斷效果。若發(fā)現(xiàn)頂板離層等問題，就要采取有針對性的控制措施，從而避免事故的發(fā)生。除此之外，在敲幫問頂時可以簡單地發(fā)現(xiàn)并清除一些頂板的浮石或剝層，避免落石傷人。

（七）頂板事故應(yīng)急管理

雖然采取了很多管理手段和控制措施，但頂板事故并不能完全避免。當(dāng)頂板事故發(fā)生時，要采取及時、準(zhǔn)確的應(yīng)急措施，從而降低事故造成的損失。當(dāng)頂板事故發(fā)生時，要先考慮對問題頂板的邊緣進行支護加固處理，避免搶險救災(zāi)過程中發(fā)生次生災(zāi)害，導(dǎo)致?lián)p失擴大。隨后要盡快搶救受災(zāi)人員，打通綠色生命通道。若受災(zāi)人員狀況不樂觀，還要由經(jīng)驗豐富的救援人員在井下采取急救措施，再升井開展后續(xù)救治。需要注意的是，在救援過程中要時刻關(guān)注發(fā)生事故的頂板狀況，避免次生災(zāi)害影響救災(zāi)工作。

總之，煤礦采掘工作面的管理是長期而復(fù)雜的過程，頂板事故的危險性決定了采掘工作面管理的必要性。在實際工作中，應(yīng)不斷強化多方面、全過程的監(jiān)管工作，在施工作業(yè)前盡可能全面地分析頂板存在的各種問題和隱患，完善各種預(yù)防和處理手段。同時強化施工人員的安全意識，最大限度削減施工安全風(fēng)險，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。