礦井綜采工作面冒頂原因分析及預(yù)防措施

(平煤天安股份一礦，河南 平頂山 467000)

0 引言

由于長(zhǎng)時(shí)間受到巖層壓力的影響，工作面的頂板極易產(chǎn)生下沉、裂縫等問(wèn)題。盡管液壓支架已經(jīng)在煤炭行業(yè)取得了廣泛運(yùn)用，并且使頂板支護(hù)取得了較好的效果，降低了頂板發(fā)生冒落事故的概率，但是無(wú)法否認(rèn)的是，冒落事故依舊是威脅煤炭安全生產(chǎn)的關(guān)鍵災(zāi)害之一。工作面產(chǎn)生冒頂將會(huì)導(dǎo)致回采工作面出現(xiàn)片幫問(wèn)題，增加了后期回采作業(yè)的難度，出現(xiàn)了停產(chǎn)隱患，導(dǎo)致煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)受到損失，更為嚴(yán)重的是將會(huì)導(dǎo)致人員的傷亡，這已逐漸成為制約煤炭企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 綜采工作面冒頂原因

①當(dāng)工作面開(kāi)始掘進(jìn)的時(shí)候，煤體將不會(huì)再與頂部巖層相接觸。若無(wú)法采取有效的支護(hù)措施，頂板巖層將會(huì)出現(xiàn)破碎或者冒落，盡管已經(jīng)采取支護(hù)措施，但是支架所產(chǎn)生的阻力無(wú)法維持頂板巖層的穩(wěn)定。②地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是造成覆巖冒頂損壞的關(guān)鍵因素。當(dāng)覆巖碰到褶皺、斷層等應(yīng)力變化較大的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，支架上部的支承壓力也會(huì)迅速提升，導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)破裂及頂層出現(xiàn)下沉的問(wèn)題。若對(duì)煤層的地質(zhì)條件及生產(chǎn)狀況不了解，就無(wú)法采取合理的措施來(lái)實(shí)施管理，因此，覆巖必定會(huì)產(chǎn)生冒頂事故。③違章作業(yè)是導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生的直接因素。根據(jù)煤層所有的各個(gè)地質(zhì)條件，做好萬(wàn)全準(zhǔn)備和開(kāi)展有效的操作流程是控制冒頂事故的關(guān)鍵措施。不同的地質(zhì)條件，其所采取的安全措施、支護(hù)方式、通風(fēng)辦法是不相同的。工作面所置支架的柱間距和行間距與規(guī)定不相符，如不應(yīng)當(dāng)拆卸的支架隨意拆卸等違章行為是導(dǎo)致冒頂事故產(chǎn)生的直接因素。④大型冒頂?shù)漠a(chǎn)生主要是由于圍巖或者覆巖對(duì)錨固體施加了較大的壓力，托盤(pán)受損、錨桿的抗拉強(qiáng)度過(guò)低等都將導(dǎo)致覆巖出現(xiàn)破碎、巖體出現(xiàn)松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致冒頂問(wèn)題的產(chǎn)生。

2 冒頂對(duì)綜采工作面影響分析

針對(duì)冒頂事故對(duì)綜采工作面所產(chǎn)生的影響，筆者運(yùn)用UDEC2D軟件構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)字模擬模型，煤層大約有6 m的厚度。將其周?chē)膸r體看作是由許多完整的巖塊所構(gòu)成，巖體之中存在的不連續(xù)面將會(huì)在各個(gè)巖塊之間進(jìn)行切割，并且該接觸面被看做是巖塊的界線(xiàn)，可將完整的巖塊模擬為可形體或者剛體。在對(duì)可變形巖石進(jìn)行模擬時(shí)，該軟件可以將巖塊切割為多個(gè)層級(jí)的塊體，對(duì)于各個(gè)次級(jí)的塊體，可以基于其所選擇的材料與外力狀況來(lái)計(jì)算巖塊應(yīng)力及受力的分布狀況。為了深入研究冒頂問(wèn)題對(duì)綜采工作面造成的影響，利用UDEC2D軟件來(lái)進(jìn)行模擬研究，并采用摩爾-庫(kù)倫的準(zhǔn)則。上方的邊界屬于應(yīng)力邊界，大約有400 m的埋深，巖層密度平均為3 g/cm2，重力加速度可以設(shè)為9.8 m/s2，該邊界的載荷是均布載荷，其數(shù)值為7.9 MPa，左、右邊界上的X方向和底端的Y方向均具有0 m/s的速度。

工作面的采掘深度為120 m，煤層大約6 m，根據(jù)工作面的回采之后頂板出現(xiàn)的變形狀況可知，在開(kāi)采之后，由于受到采動(dòng)的影響，采空區(qū)周邊的圍巖所有的力學(xué)平衡狀態(tài)將會(huì)被打破，覆巖受到破壞，在自重應(yīng)力的影響下失去穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致地表出現(xiàn)下沉問(wèn)題。

3 如何判斷冒頂事故的發(fā)生

1)裂縫現(xiàn)象，就采煤工作面出現(xiàn)的頂板裂縫來(lái)講，可將其劃分為采動(dòng)與自然2種裂縫，如果隨著采煤工作的不斷深入進(jìn)行，頂板裂縫也將越來(lái)越大，這就極易導(dǎo)致冒頂事故的產(chǎn)生。

2)響聲現(xiàn)象，當(dāng)煤層頂板的壓力急劇增加，煤體的下沉問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂問(wèn)題的產(chǎn)生，工作面所采用的5600液壓支架就會(huì)產(chǎn)生劈裂聲，同時(shí)活柱也會(huì)迅速下縮，產(chǎn)生較大的聲響。當(dāng)聽(tīng)到這些聲響的時(shí)候，就表示即將發(fā)生冒頂事故，應(yīng)當(dāng)采取有效的措施加以預(yù)防。

3)離層現(xiàn)象，如果在開(kāi)展采煤作業(yè)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)頂板的離層現(xiàn)象過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，也可以判斷出冒頂事故的發(fā)生。

4)片幫現(xiàn)象，當(dāng)煤壁所承受的礦壓大于可允許范圍時(shí)，煤壁將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象，若存在較多的片幫煤時(shí)，在某種程度上也預(yù)示著頂板即將出現(xiàn)冒頂問(wèn)題。

5)掉渣現(xiàn)象，當(dāng)煤體頂板產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞現(xiàn)象時(shí)，頂板極易產(chǎn)生掉渣問(wèn)題，且越來(lái)越嚴(yán)重，可預(yù)測(cè)出頂板的壓力將會(huì)越來(lái)越大，這樣也將導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生。

4 綜采工作面冒頂預(yù)防措施

①科學(xué)布置采面，嚴(yán)禁產(chǎn)生采場(chǎng)采動(dòng)力相互疊加的狀況，避免工作面出現(xiàn)相向開(kāi)采。②選擇恰當(dāng)?shù)南锏澜孛娉叽缗c形狀。③對(duì)綜采工作面開(kāi)展有效的支護(hù)，嚴(yán)禁進(jìn)行空頂作業(yè)。④在進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)，嚴(yán)禁隨意擴(kuò)大支護(hù)的間距。⑤對(duì)錨桿的質(zhì)量加以控制，保證錨索的錨固力。⑥在以往產(chǎn)生冒頂問(wèn)題的區(qū)域內(nèi)增強(qiáng)相應(yīng)的支護(hù)措施。⑦加強(qiáng)液壓支架所具有的初撐力。⑧重視液壓支架的型號(hào)與質(zhì)量，保證支架具備充足的工作阻力。⑨選擇恰當(dāng)?shù)腻^桿支護(hù)參數(shù)，使其具備較強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度，以抵御圍巖的壓力。

4.1 重視觀測(cè)工作面礦壓

老頂周期來(lái)壓的步距及時(shí)間等均是導(dǎo)致冒頂事故產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)煤體礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行深入的研究，同時(shí)詳細(xì)記錄實(shí)時(shí)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，例如支架增阻的狀況等。同時(shí)，人們可以利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)深入分析這些數(shù)據(jù)，并取得科學(xué)有效的防治措施，以有效防護(hù)綜采工作面的冒頂問(wèn)題。

4.2 做好地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的預(yù)測(cè)工作

在對(duì)綜采工作面開(kāi)采工作造成影響的諸多因素中，地質(zhì)構(gòu)造是一項(xiàng)最為核心的因素，對(duì)此，人們必須對(duì)整個(gè)礦區(qū)中各個(gè)部位的地址結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)與研究，促使點(diǎn)報(bào)與月報(bào)兩項(xiàng)工作可以相互結(jié)合，并針對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化狀況來(lái)開(kāi)展預(yù)報(bào)工作，基于實(shí)際狀況來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整頂板的支護(hù)措施，徹底消除各個(gè)綜采工作面產(chǎn)生冒頂事故的可能性。

4.3 強(qiáng)化工作面液壓系統(tǒng)管理

對(duì)于液壓系統(tǒng)的泵站，應(yīng)當(dāng)開(kāi)展好其維修、保養(yǎng)等一系列工作，禁止該系統(tǒng)產(chǎn)生冒、漏等問(wèn)題，確保系統(tǒng)維持正常的供液，充足的壓力，以確保液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證開(kāi)采作業(yè)可以正常循環(huán)，提升工作面開(kāi)采的安全性、便捷性。

4.4 最大限度壓縮頂板暴露時(shí)長(zhǎng)

在開(kāi)采之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)綜采工作面伸縮梁的護(hù)頂機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，確保該機(jī)構(gòu)可以及時(shí)伸出，同時(shí)需要快速的移架，保證煤體時(shí)刻保持完整的狀態(tài)，從而盡可能的消除冒頂事故。就現(xiàn)階段的生產(chǎn)狀況而言，人們通常會(huì)采用帶壓擦頂移架的方法來(lái)提升頂板的安全性。

4.5 進(jìn)行注漿(馬麗散)加固作業(yè)

由于煤巖體含有較多的裂縫與孔隙，這樣就可以依靠注漿操作來(lái)提升煤巖體的堅(jiān)固性。通過(guò)研究得出，一種被稱(chēng)為馬麗散胺脂的高分子材料具備較強(qiáng)的可注性，可以進(jìn)入到煤體的裂縫中，將這種材料注入到煤巖體中，就可以讓膠結(jié)巖體冒落區(qū)域內(nèi)散落分布的巖體成為一個(gè)整體，這樣可以提升巖體的承載力，有效地控制工作面頂板的垮落問(wèn)題，更好的預(yù)防和治理工作面的冒頂事故。

5 結(jié)語(yǔ)

①由于受煤層開(kāi)采的影響，上方巖層所具有的力學(xué)平衡將會(huì)受到破壞，并且在自重應(yīng)力的影響下失去穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致地表出現(xiàn)下沉，而中部的下沉程度要大于兩側(cè)。②為了避免開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)冒頂問(wèn)題，必須基于各個(gè)頂板巖石力學(xué)的特性來(lái)采用針對(duì)性的支護(hù)形式與工藝。③在實(shí)際開(kāi)采中，應(yīng)當(dāng)基于現(xiàn)場(chǎng)所具有的覆巖及圍巖的條件，嚴(yán)格遵照相應(yīng)的技術(shù)要求來(lái)進(jìn)行開(kāi)采工作，制定有效的安全措施，增強(qiáng)頂板的管理，保證煤礦生產(chǎn)的安全性。