我國煤礦頂板災害的特點及防控技術

康紅普，張 鎮，黃志增

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013）

煤礦頂板事故是指在井下采掘過程中頂板意外垮落，造成人員傷亡、設備損毀和生產中斷的事故。近年來，在煤礦各類事故（頂板、瓦斯、機電、運輸、放炮、水害、火災等）中，頂板事故的發生起數和死亡人數均居首位，嚴重影響煤礦的安全生產。

煤礦頂板事故因其分布范圍廣、類型多樣和機理復雜而具有多發、散發、偶發的特點，給事故防治帶來了很大困難。頂板事故不但給國家和人民的生命、財產造成巨大損失，同時也對社會造成了不良影響。因此對頂板災害的認識和防治具有重要的現實意義。引起頂板事故的因素很多，歸納起來主要有以下3 方面。

1）煤礦井下地質與生產條件。我國煤礦地域分布廣，除少數礦區（如鄂爾多斯、陜北礦區）地質條件簡單外，多數礦區地質條件一般或復雜。隨著開采深度、廣度及強度的增加，出現了越來越多的復雜困難條件，軟巖、破碎圍巖、深部高應力、強礦壓及沖擊地壓等礦區所占比重越來越大，顯著增加了圍巖控制的難度，同時也增加了頂板災害的風險。另外，隨著煤炭產量增加，要求的巷道斷面加大。回采煤巷的寬度達到5～6 m，開切眼的寬度超過10 m，采掘空間的加大對圍巖的穩定性也產生明顯的影響。

2）煤炭開采與支護技術及裝備。我國煤炭開采技術經歷了由人工采煤、炮采、普采、高檔普采到綜合機械化開采的發展過程[1]。在引進和推廣綜采技術之前，由于工作面支護采用單體支柱，支護強度低、穩定性差，導致工作面頂板事故占比很高。隨著液壓支架的廣泛應用，特別是高強度、大噸位、高端液壓支架的開發應用，采場空間變得越來越安全，工作面頂板事故也大幅降低[2]。煤礦巷道支護技術經歷了從木支護、砌碹支護、型鋼支護到錨桿支護的發展過程。早期的棚式支護強度、剛度低，屬于被動支護，支護效果差，巷道冒頂事故頻發。自從高強度、高剛度錨桿與錨索支護成為主體支護方式以來，巷道支護效果得到顯著改善[3]，巷道頂板事故也大幅減少。可見，新技術、新工藝、新方法、新材料、新裝備等的應用，會顯著改善頂板安全狀況。

3）頂板安全管理。很多頂板事故的發生并不是技術問題，而是管理問題。沒有按設計要求施工、施工質量差、安全監測及反饋不到位等均有可能引發頂板事故[4]。因此，需要加強煤礦頂板管理工作，包括嚴格按照技術規范和標準要求設計采掘方案和編制作業規程；抓好采掘工程質量，嚴把支護質量關；加強質量檢測、安全監測與監督，制定專門的安全技術措施并落實到位；加強安全技術培訓等。

為此，分析了近10 年來煤礦頂板事故發生的特點及原因，介紹了采掘區域圍巖地質力學測試與評估，巷道與工作面圍巖控制技術，包括錨桿支護、液壓支架、注漿加固、深孔爆破、水力壓裂及特殊地段支護技術等。

1 我國煤礦頂板事故特點與原因

1.1 近10 年煤礦頂板事故分析

根據2010—2019 年全國煤礦事故統計數據，頂板事故發生2 536 起，占煤礦事故起數的44.41%，死亡人數3 208 人，占總死亡人數的32.28%，近10年煤礦頂板事故數量及死亡人數統計如圖1。

圖1 近10 年煤礦頂板事故數量及死亡人數統計Fig.1 The number of coal mine roof accidents and death toll in the recent 10 years

近10 年來頂板事故起數與死亡人數占比趨勢如圖2。值得注意的是，自2010 年后煤礦頂板事故發生起數和死亡人數占比持續下降，但自2017 年后卻出現反彈，可以看出頂板災害的防治決不能有任何松懈。

圖2 近10 年來頂板事故起數與死亡人數占比趨勢Fig.2 The trends of the number of coal mine roof accidents and death toll percent of the total number of accidents in the recent 10 years

根據統計，2000 年全國煤礦一共發生頂板事故1 228 起，死亡1 521 人，其中一般事故1 171 起，死亡1 314 人，占頂板事故起數和死亡人數的95.4%、86.4%；較大事故57 起，死亡207 人，占頂板事故起數和死亡人數的4.6%、13.6%；重大以上事故0 起。

2010 年全國煤礦共發生頂板事故702 起，死亡829 人，其中一般事故677 起，死亡728 人，占頂板事故起數和死亡人數的96.4%、87.8%；較大事故24起，死亡91 人，占頂板事故起數和死亡人數的3.4%、11.0%；重大以上事故1 起，死亡10 人，占頂板事故起數和死亡人數的0.1%、1.2%。

2019 年全國煤礦共發生頂板事故51 起，死亡90 人，其中一般事故43 起，死亡50 人，占頂板事故起數和死亡人數的84.3%、55.6%；較大事故8 起，死亡40 人，占頂板事故起數和死亡人數的15.7%、44.4%；重大以上事故0 起。

近20 年來，隨著我國煤礦頂板管理和技術水平的提高，煤礦頂板事故不論是發生起數還是死亡人數均大幅下降。相比2000 年，2019 年煤礦頂板事故發生起數下降95.8%，死亡人數下降94.1%，煤礦頂板管理水平有了大幅提高。

然而，頂板事故仍然是煤礦的高發事故。為此，對2016 年至2020 年上半年期間煤礦頂板事故類型的變化趨勢進行了統計分析，2016 年至2020 年上半年煤礦頂板事故類型發展趨勢如圖3。從圖中可以看出，煤礦頂板事故以一般事故為主，其發生起數和死亡人數占頂板事故總起數和總死亡人數的平均比值為89%和66%；較大事故為10%和22%；重大事故為1%和11%。但近2 年來較大事故發生起數和死亡人數具有增多趨勢，給頂板災害防治帶來更大的挑戰。

圖3 2016—2020 年上半年煤礦頂板事故類型發展趨勢Fig.3 The changing trend of roof accidents level in coalmine from 2016 to the first half of 2020

較大事故的發生暴露出更多的頂板管理問題，針對此問題，對2016 年至2020 年上半年期間較大頂板事故發生位置及原因進行了統計，2016—2020年上半年較大頂板事故發生位置及原因如圖4。

圖4 2016—2020 年上半年較大頂板事故發生位置及原因Fig.4 Locations and causes of large roof accidents from 2016 to the first half of 2020

從統計數據看出，頂板事故高發區域從多到少依次為掘進工作面、采煤工作面、巷修區、回采巷道、巷道交叉點和開拓巷道。其中采煤工作面事故發生起數不多，但死亡人數較多；掘進工作面事故發生頻率較高，巷修區及巷道交叉點事故時有發生。

從較大事故發生的誘因來看，主要有以下幾類。

1）空頂作業或無有效支護。主要表現在掘進、回采或巷修期間，超循環空頂作業、臨時支護不足，過復雜地段或構造帶時支護強度不足，巷修刷擴未采取有效支護或采取的支護強度不足，未嚴格執行“敲幫問頂”工作等。

2）沖擊地壓。沖擊地壓是近年來煤礦頂板事故的重要原因，嚴重威脅采掘工作面及巷道的頂板安全。沖擊地壓事故具有破壞程度大、一次性死亡人數多的特點，是頂板災害防治的重點。

3）工作面堅硬難垮頂板未及時放頂。當回采工作面頂板存在堅硬、厚層難垮巖層或回采后初次垮落步距、周期垮落步距較大時，若堅硬頂板處理不及時，容易導致頂板大面積垮落而引發動力災害。

4）違反安全規程，使用淘汰的采掘工藝。仍有部分礦井違反煤礦安全規程，私自使用國家明文禁止使用的淘汰落后采掘工藝，導致頂板事故發生。

1.2 煤礦頂板事故原因分析

1.2.1 采掘區域圍巖地質力學測試與評估不健全

有效防治頂板災害的前提條件是對采掘區域圍巖地質力學特性的掌握，了解圍巖變形破壞特性，并據此采取對應的控制措施。對采掘區域全范圍、全服務周期、動態的圍巖地質力學性能無有效的探測、評估和跟蹤是導致頂板災害事故的重要原因。

相關案例：2017 年1 月17 日，中煤山西某煤礦運輸巷距工作面51～70 m 范圍發生一起冒頂、片幫事故，造成10 人死亡，事故原因之一即為未有效評估巷道全服務周期內圍巖及采動應力的變化及受到的影響，導致未采取有效措施，最終引發事故。

1.2.2 采掘空間支護設計不合理等

合理的支護設計、合格的材料和有效規范的礦壓監測是保障采掘空間頂板安全的關鍵環節。支護強度不足，間排距、空頂距不合理，施工關鍵參數如錨桿錨固力、預緊力不足，支護材料不合格，無有效的礦壓監測儀器及正常觀測是最終引發頂板災害事故的又一原因。

相關案例：2017 年3 月9 日，山西長治某煤礦3101 回采工作面運輸巷和聯絡巷交岔口附近發生1起頂板事故，造成3 人死亡2 人受傷。事故原因為3101 回采工作面運輸巷和聯絡巷交叉口附近巷道為舊巷擴刷而成，巷道支護未采取有針對性的頂板支護設計，部分錨桿和錨固劑數量不達設計要求，支護強度不足，導致事故發生。

1.2.3 特殊區域頂板支護與管理不合理

特殊區域主要有地質構造區，如過褶曲、斷層、陷落柱、風氧化帶、流沙層、破碎帶、淋水區、穿層段等；復雜地段，如巷道交叉口、大斷面、巷道刷擴區、高冒區、工作面上下端頭、工作面片幫冒頂區、各種原因導致的應力集中區等地段。特殊區域圍巖結構、強度、應力環境均較復雜，支護難度較大，極易引發頂板事故。

相關案例Ⅰ：2018 年9 月19 日，江西某煤礦331 工作面處于1 組推覆斷層帶，煤層松散，頂板裂隙發育，并經上覆疊加煤層采空區注漿水和頂板裂隙孔隙水長期浸泡軟化，工程力學性質變差，事故當班2 名作業人員維修下段失穩支架時，頂板突然垮落，將人掩埋致死。

相關案例Ⅱ：2019 年10 月26 日，四川某煤礦綜采工作面在過斷層期間，頂板破碎、遇水穩定性差，工作面長時間未能正常推進，部分液壓支架被“壓死”，作業人員在擴刷煤壁過程中臨時支護不到位，發生頂板垮漏，垮漏煤矸在巖溶裂隙水的作用下加速滑移，導致冒頂事故。

1.2.4 沖擊地壓礦井未按規定采取防沖措施

沖擊地壓是近年來我國煤礦的重大安全隱患，因沖擊地壓造成的頂板災害呈現不斷上升趨勢。

相關案例Ⅰ：2019 年6 月9 日，吉林某煤礦發生沖擊地壓，9 人死亡。事故原因為所采煤層及頂板均具有沖擊傾向性；事故區域煤層平均埋深大，自重應力高，并存在較高的水平構造應力；周圍采掘活動造成大范圍區域應力升高；原巖應力與采動應力疊加，使應力水平進一步上升；放頂煤采動上覆厚層堅硬頂板活動導致F13斷層活化釋放大量彈性能。上述因素的共同作用導致了巷道沖擊地壓事故的發生。

相關案例Ⅱ：2019 年8 月2 日，河北某煤礦發生沖擊地壓事故，7 人死亡。事故原因為風井工業廣場煤柱在周邊煤層群開采后形成了“半島”型煤柱，應力高度集中；F5009 工作面及相關巷道形成走向和傾向支承壓力疊加影響，采動應力集中程度高；5煤層及頂板具有弱沖擊傾向性，3654E 風道掘進活動對事故區域煤巖結構穩定性具有擾動，最終導致沖擊地壓事故發生。

1.2.5 施工工藝落后或采用淘汰工藝施工

合理的施工工藝可有效防止煤礦頂板事故的發生，但近年來仍有小部分煤礦采用落后及國家明令禁止使用的工藝施工，最終導致頂板事故發生。

相關案例：2016 年4 月3 日，新疆某煤礦發生1起冒頂、片幫事故，造成10 人死亡。事故原因為6410 放頂煤工作面采用國家明令禁止使用的單體液壓支柱配合π 型鋼梁支護放頂煤工藝，最終因支護強度不足、支護穩定性差，引發直接頂局部斷裂、失穩，最終導致工作面部分支架倒塌、頂煤垮落。

1.2.6 違反煤礦安全規程

我國煤礦安全生產的法律、法規，各地出臺的各類頂板管理規程與規范是保障煤礦安全生產、保護礦工生命安全的重要制度，但仍有部分礦井置若罔聞，屢屢發生違反規定開采的情況，并最終導致事故發生。2018 年因采用落后開采工藝、違規操作規程導致冒頂事故26 起，占工作面頂板事故的92.85%；2019 年仍有17 起，占工作面頂板事故的73.91%。

相關案例Ⅰ：2018 年1 月18 日，四川廣元某煤礦1103 采煤工作面回撤前，采取的防范頂板壓垮、推垮支柱的措施不力；在回撤過程中，作業人員違章作業，在未打設替換木支柱的情況下回撤單體液壓支柱，導致支柱被壓垮、推垮，頂板垮落，壓埋人員。

相關案例Ⅱ：2019 年6 月19 日，山西忻州某煤礦50206 回風巷在加固維護頂板作業時，違反由上向下、逐排推進的作業順序，一次性擴幫進尺過大，錨桿、錨索破斷失效，頂板失穩、垮落，最終發生較大頂板事故，導致6 人埋壓死亡。

2 煤礦頂板災害防治技術

針對近年來我國煤礦頂板災害發生的特點與原因，介紹相關的煤礦頂板災害防治技術，重點是巷道與工作面圍巖控制技術，至于沖擊地壓防治屬于動力災害，已有大量研究成果和文獻研究[5-7]，在此不作具體介紹。

2.1 采掘區域圍巖地質力學測試與評估

采掘區域圍巖地質力學測試與評估是煤礦開拓部署、巷道布置、支護設計的基礎，也是日常頂板災害隱患排查的基礎。煤礦應在巷道掘進、維修和工作面布置前進行地質力學測試與評估，應采用動態評估方法，覆蓋巷道、工作面的全生命服務周期。采掘區域圍巖地質力學測試與評估應了解清楚采掘區域煤巖層賦存狀況、頂底板巖性、地質構造及地應力，采掘空間周圍采動情況，及水、火、瓦斯及沖擊地壓等情況。

圍巖地質力學測試一般在井下進行，包括井下原位地應力測量、圍巖結構觀測、圍巖強度測量及采動應力監測等。為解決煤礦井下原位地質力學快速測試難題，煤炭科學研究總院開采研究分院提出井下單孔、多參數、耦合地質力學原位快速測試方法，并開發出配套測試儀器[8]。該套測試技術已在全國20 多個礦區得到應用，獲得了大量地應力、煤巖體強度與圍巖結構參數[9-11]，全國煤礦地應力變化規律如圖5（KH、Kav、Kh分別為最大、平均、最小水平主應力與垂直應力的比值，H 為測試點埋深）。這些參數為巷道布置、圍巖控制及頂板災害防治提供了可靠的基礎。

2.2 巷道圍巖控制技術

經過多年的研究、試驗與應用，我國煤礦形成了以錨桿與錨索為主體支護，輔以其它支護、加固及卸壓的巷道圍巖控制格局。錨桿支護經歷了從低強度、高強度到高預應力強力支護的發展過程。目前，預應力高強度、高剛度錨桿與錨索支護已得到廣泛認可和大面積應用[12]，顯著提高了巷道支護效果，大幅度降低了巷道頂板事故。

圖5 水平應力與垂直應力比值隨埋深的變化Fig.5 The ratio of horizontal stress to vertical stress varies with burial depth

2.2.1 錨桿支護技術

只有充分發揮錨桿與錨索的支護作用，才能提高支護效果，確保巷道安全。基于此，需要做到以下幾點[13]。

1）在錨桿支護設計前應進行現場調查、巷道圍巖地質力學測試與評估。測試與評估內容如前所述。對巷道工程地質條件、生產條件要有比較清楚的了解。同時，應采用短錨固錨桿拉拔試驗測定錨桿錨固力，評價圍巖的可錨性。

2）錨桿支護設計應在巷道圍巖地質力學評估基礎上采用動態設計方法進行，設計過程為：初始設計-井下監測-信息反饋-正式設計。初始設計可采用工程類比法、理論計算法及數值模擬法進行。初始設計中應包括以下內容：①巷道斷面：掘進方式，空頂距；②錨桿、錨索支護形式與參數，支護材料與構件；③施工機具、設備與工藝，安全技術措施和施工質量指標；④礦壓監測；⑤輔助支護，復雜地段支護，受到采動影響時的超前支護等。

3）除簡單條件外，巷道支護優先采用高預應力、高強度錨桿與錨索支護。錨桿支護構件如圖6。錨桿、錨索各構件及錨桿與錨索參數與力學性能應相互匹配；錨桿、錨索與護表構件（大托板、鋼帶、鋼筋托梁、金屬網）的參數與力學性能應相互匹配。

4）當巷道圍巖比較破碎，圍巖穩定性及錨桿與錨索錨固力受到影響時，可將錨固與注漿有機結合，采用注漿錨桿、注漿錨索等方式支護加固圍巖[14-15]。

圖6 錨桿支護構件Fig.6 Bolt supporting components

5）當單獨采用錨桿、錨索支護不能有效控制圍巖變形時，可采用聯合控制法，以錨桿、錨索為基本支護，與噴射混凝土、金屬支架、支柱、注漿、充填、砌碹及卸壓等聯合使用，實現優勢互補[16-17]。常用的巷道圍巖聯合控制形式為：錨噴、錨架、錨注、錨砌、錨卸、錨架注、錨架充、錨注卸、錨架注卸等。

6）巷道支護必須進行施工質量檢測。對于錨桿支護，檢測內容包括錨桿錨固力、錨桿安裝幾何參數、錨桿預緊力、錨桿托板安裝質量、組合構件和護網安裝質量等。如果支護質量達不到合格標準要求，應及時采取補強措施。

7）巷道支護必須進行礦壓監測。監測一般分為綜合監測和日常監測。綜合監測包括圍巖變形、支護體受力監測，用于驗證、修正初始設計；日常監測主要是頂板離層，用于及時發現異常情況，采取必要措施，保證巷道安全。

2.2.2 特殊區域圍巖控制技術

2.2.2.1 地質構造帶或復雜地段加強支護技術

地質構造帶和復雜地段是頂板災害的高發區域，圍巖結構、應力復雜，影響圍巖穩定性的因素較多，是頂板支護的薄弱環節，支護難度很大。常用的補強加固方法有2 大類型。

1）加強支護。對于可錨性較好的巷道交叉點、大斷面、巷道刷擴區、高冒區、工作面上下端頭、各種原因導致的應力集中區等區域，應在詳細地質力學測試與評估的基礎上進行專項設計，及時支護避免空頂作業，適當增加錨桿、錨索支護密度與強度，增大護表構件面積，及時噴漿封閉圍巖，必要時采用聯合支護技術。對于圍巖結構相對破碎區域，圍巖仍具有一定錨固力時，如過褶曲、斷層、淋水區、穿層段等區域，可采用錨注支護形式；也可在錨桿、錨索支護基礎上架設棚式支架。若圍巖非常破碎，無法保證錨桿、錨索的錨固力，則采用其它支護加固法，如注漿加固、棚式支架，并及時噴漿封閉圍巖。

2）注漿加固。注漿加固是破碎巷道圍巖控制的有效技術途徑。注漿加固材料與方法有很多[18-19]。根據注漿材料可分為3 大類：水泥基注漿材料、化學注漿材料及水泥與化學復合注漿材料。根據注漿與巷道掘進的時間關系可分為預注漿與后注漿。預注漿在掘進工作面前方實施，適用于巷道過破碎帶、風氧化帶、流沙層、陷落柱等圍巖極破碎，在工作面掘進機-施工就會引起冒頂、片幫的條件。掘進工作面預注漿一般要求工期緊，常采用高分子化學注漿材料，這種材料滲透性強、固化速度快、黏聚力高[20]，不僅加固效果好，而且施工速度快，對正常掘進影響小。另外，近年來開發出有機無機復合注漿材料用于掘進工作面超前注漿[21]，其滲透性良好，可注入10 μm開度的裂隙,黏結強度較高。

后注漿分為掘后注漿與滯后注漿。前者是巷道一掘出就進行注漿；后者是巷道掘出一定時間后再注漿，包括巷道維修或返修。通常，巷道剛掘出后圍巖裂隙不太發育，要求注漿材料滲透性強、注漿壓力較高；滯后注漿，特別是圍巖破壞后的巷道維修注漿，由于圍巖裂隙比較發育，常采用水泥基注漿材料和較低的注漿壓力即可。注漿可單獨使用，也可與錨桿、錨索聯合使用，如前所述的注漿錨桿、錨索。

注漿已廣泛應用于破碎圍巖、返修巷道維修加固，可起到恢復圍巖完整性、提高圍巖強度和承載力的作用。失修巷道注漿加固前后巷道狀況對比如圖7。

圖7 注漿加固前后巷道狀況對比Fig.7 The roadway comparison before and after grouting

2.2.2.2 高應力巷道卸壓技術

對于深部高應力巷道、受強烈采動影響巷道，有時只采用支護加固法很難有效控制巷道圍巖大變形，保持圍巖穩定，而采用卸壓法，將巷道布置在應力降低區，或將巷道淺部圍巖高應力轉移到圍巖深部，是巷道圍巖控制的有效途徑。巷道圍巖卸壓有很多方法，包括巷道布置法：將巷道布置在上覆煤層開采的采空區下方，沿已穩定的采空區邊緣掘進巷道等；人工卸壓法：包括在圍巖中切縫、爆破、鉆孔、掘卸壓巷及水力壓裂等。最近幾年，爆破卸壓、水力壓裂卸壓技術應用較多，下面重點介紹這2 項技術。

2.2.2.2.1 高應力巷道卸壓深孔爆破技術

深孔爆破的原理為利用炸藥爆炸所產生的沖擊載荷作用在孔壁巖石上，巖石在拉壓混合爆破載荷作用下，形成由內致外的擴腔區、壓碎區、裂隙區和震動區，從而破壞圍巖的整體性，達到圍巖弱化、應力轉移的目的，炮孔爆破后各區分布示意如圖8。深孔爆破圍巖控制技術的核心是通過合理選擇炸藥，設計合理的炮孔布置、裝藥方式、起爆順序等工藝，達到目標區域內巖體拉裂的目的。

圖8 炮孔爆破后各區分布示意圖Fig.8 The cracks distribution diagram around hole after blasting

該技術適用于裂隙不發育的堅硬圍巖條件，但當瓦斯濃度較高或煤層具有爆炸傾向性，需要采取防止煤塵瓦斯爆炸的措施。深孔爆破技術已在山西、內蒙、安徽等地的多個煤礦高應力巷道中得到應用。平莊風水溝煤礦高應力區巷道卸壓前后支護狀況對比如圖9，卸壓后圍巖的變形量由1.0 m 降至0.08 m，圍巖控制效果良好。

2.2.2.2.2 高應力巷道卸壓水力壓裂技術

圖9 高應力巷道卸壓前后圍巖支護狀況Fig.9 The high-stress roadway deformation comparison before and after pressure relief

水力壓裂是將高壓流體（液體或氣體）注入目標巖層，產生裂縫或重啟原有天然裂縫，形成裂縫網絡系統，達到改造巖層結構的目的。水力壓裂技術在煤礦圍巖控制方面，主要應用于高應力巷道圍巖卸壓、回采工作面堅硬難垮頂板控制及沖擊地壓防治。近年來，煤炭科學研究總院開采研究分院在深入研究水力壓裂機理、裂紋擴展規律的基礎上，開發出煤礦井下水力壓裂成套技術與設備[22]，包括壓裂鉆孔施工機具、封孔裝置、高壓注水泵、壓裂效果檢測儀器等，并在晉城、潞安、陽泉、神東、伊泰等礦區得到廣泛應用。

在高應力巷道卸壓方面，水力壓裂的作用是切斷或弱化巷道上方堅硬完整頂板，轉移煤柱與巷道圍巖中的高應力。根據壓裂工藝的不同，可分為常規壓裂與定向壓裂。常規壓裂對鉆孔不作處理，選擇壓裂段直接注水壓裂，初始壓裂裂縫大多接近鉆孔軸向；定向壓裂在壓裂孔段設置橫向切槽或切縫，注水后在橫向切槽（縫）端部產生拉應力集中，在切槽（縫）尖端處優先開裂，并沿切槽（縫）的方向擴展。

水力壓裂卸壓多數在強采動巷道中進行。按施工地點分為本巷卸壓和鄰巷卸壓。本巷卸壓是水力壓裂在本條巷道中實施，一般在超前工作面一定距離的回采巷中進行。在煤柱側和工作面側布置鉆孔進行水力壓裂切斷懸頂，使其在采后能及時垮落，從而降低超前支承壓力影響。神東布爾臺礦回風巷水力壓裂鉆孔布置如圖10。采用水力壓裂后，工作面來壓步距明顯減小，回風巷底鼓量減小80%以上，兩幫移近量降低60%左右。

鄰巷卸壓是水力壓裂在鄰近的巷道中實施以保護本條巷道。水力壓裂切斷或弱化護巷煤柱上方的堅硬頂板，使作用在煤柱上的高應力轉移，達到減小被保護巷道變形的目的。內蒙古伊泰紅慶河煤礦31101 工作面巷道及壓裂鉆孔布置圖如圖11。工作面布置3 條煤巷，其中31103 輔助運輸巷為下一個工作面的回風巷，受2 個工作面的采動影響，圍巖變形嚴重、底鼓量大。為此，在鄰近的31101 運輸巷靠煤柱側實施了水力壓裂卸壓[23]。卸壓后輔助運輸巷底鼓量、兩幫移近量分別降低75%、40%，圍巖變形得到有效控制。

圖10 神東布爾臺礦回風巷水力壓裂鉆孔布置Fig.10 Layout of hydraulic fracturing boreholes in tail gate of Buertai Coal Mine, Shendong Mining Area

圖11 伊泰紅慶河礦31101 工作面巷道及水力壓裂鉆孔布置Fig.11 Layout of 31101 panel entry and hydraulic fracturing boreholes in Hongqinghe Coal Mine, Yitai Coal Mining Area

2.3 工作面圍巖控制技術

2.3.1 工作面液壓支架支護技術

液壓支架是綜采工作面支護頂板、防護煤壁的核心裝備。自20 世紀80 年代以來，我國綜采在消化吸收國外技術與裝備的基礎上，研發出國產普通綜采裝備、高端綜采裝備、超大采高綜采設備，實現了完全替代進口，引領了世界煤機裝備的發展。在液壓支架方面，根據我國煤層條件，研發出適用于薄煤層、中厚煤層、厚煤層及特厚煤層綜采、綜放開采的各類型式的液壓支架[24-25]，基本滿足了工作面安全支護的要求。

支架與圍巖的相互作用關系對液壓支架設計非常重要。為此，提出液壓支架與圍巖的強度耦合、剛度耦合、穩定性耦合原理[26]，從強度、剛度及穩定性3 方面研究支架與圍巖的相互作用，為支架設計提供理論基礎。

液壓支架架型選擇是支架設計的核心內容，主要可分為兩柱掩護式與四柱支撐掩護式2 大類。應根據煤層賦存條件、工作面巖層分布及生產條件，綜合考慮支護強度、支護剛度及支架的穩定性等因素，確定合理的支架架型與結構。

液壓支架的支護阻力是其重要參數之一。國內外很多學者進行了大量研究，提出不同煤層賦存條件、圍巖條件及開采技術參數的液壓支架合理工作阻力計算方法與公式，指導了井下生產實踐。

2.3.2 工作面堅硬頂板控制技術

當工作面頂板中存在堅硬難垮巖層時，由于采后堅硬頂板不能及時垮落，形成大面積懸頂，不僅會顯著增加工作面超前支承壓力，而且懸頂突然垮落還會引起支架壓死甚至更嚴重的動力災害。為此，應對堅硬頂板進行弱化處理，破壞其完整性，從而減小頂板垮落步距和來壓強度，保證工作面的安全。目前，堅硬頂板弱化主要是深孔爆破和水力壓裂技術，技術原理與2.2.2.2 節所述的高應力巷道卸壓中采用的深孔爆破和水力壓裂類似，不再贅述。

2.3.2.1 工作面堅硬頂板深孔爆破技術

深孔爆破技術是堅硬頂板、堅硬頂煤弱化的有效方法。為了實現較好的爆破效果，應根據被爆巖層的賦存狀況、地質力學特性等，設計合理的炮眼布置參數、裝藥量、裝藥工藝及配套的安全技術措施[27-28]。

工作面初次放頂是淺埋煤層、頂板完整穩定條件下安全開采的1 項重要措施。深孔爆破初次放頂技術已經比較成熟，并在山西、內蒙、陜西、四川等地的很多煤礦得到廣泛應用。如在攀枝花花山煤礦6011 工作面采用深孔爆破放頂后，初次來壓步距從80 m 減小到9.6 m，爆破效果良好。

2.3.2.2 工作面堅硬頂板水力壓裂技術

水力壓裂技術在工作面初次放頂、堅硬頂板弱化改造方面也得到比較廣泛的應用。按照施工地點可分為地面壓裂、井下區域壓裂和井下局部壓裂。

地面實施的壓裂類似于石油行業，從地面向壓裂目標層鉆進垂直或水平鉆孔，然后實施水力壓裂，在堅硬頂板巖層中形成裂隙網絡，起到改變巖層結構、促進采后堅硬頂板垮落的作用。該項技術在大同礦區進行了試驗研究與應用，對堅硬頂板引起的強礦壓有較好的控制作用[29]。

井下區域壓裂是在采區或工作面上方的堅硬頂板巖層中鉆進長水平鉆孔，采煤工作面上方堅硬巖層水力壓裂如圖12，鉆孔長度可達800～1 000 m，然后進行大規模壓裂，弱化煤層上方的堅硬頂板，解決由于堅硬頂板難垮落引起的工作面礦壓顯現強烈及相關的安全問題。

圖12 采煤工作面上方堅硬巖層水力壓裂Fig.12 Hydraulic fracturing of hard roof above working face

井下局部水力壓裂一般在工作面開切眼中進行，用于初次放頂，減小工作面初次來壓步距，促進頂板及時垮落，保證安全生產。水力壓裂初次放頂技術已在山西、陜西、內蒙古、山東、安徽等省區的多個煤礦得到推廣應用。神東補連塔礦22309 工作面初次放頂水力壓裂鉆孔布置如圖13，采用水力壓裂后，初次來壓步距顯著減小，解決了淺埋、完整穩定頂板難垮問題，取得良好的技術經濟效益。

圖13 神東補連塔礦水力壓裂初次放頂鉆孔布置Fig.13 Layout of hydraulic fracturing boreholes for first roof caving in Bulianta Coal Mine, Shendong Coal Mining Area

2.3.3 工作面松軟破碎頂板控制技術

工作面頂板巖層受斷層、褶曲等地質構造影響易變形破碎，當工作面回采揭露時極易發生失穩，造成端面冒頂，發生傷亡事故，嚴重影響作業安全及回采進度。對于工作面松軟破碎圍巖可采用注漿加固配合設備工藝優化的綜合控制技術。

2.3.3.1 注漿加固

注漿不僅可用于巷道圍巖加固，而且也是工作面破碎頂板和煤壁的有效加固方法。注漿可在破碎巖體內形成網絡骨架結構，提高裂隙的黏聚力和抗拉強度，提高破碎巖體的整體性。

如前所述，注漿加固材料主要有水泥基注漿材料、化學注漿材料及復合注漿材料。由于化學注漿材料滲透性強、固化快、強度高，能對破碎頂板與煤壁進行快速加固，盡快恢復工作面正常生產，因此在工作面得到大量應用。

另外，可在回采煤巷進行深孔預注漿加固工作面破碎頂板。這種注漿方法在煤巷超前施工，不影響工作面生產，可采用水泥類注漿材料，已在潞安礦區得到應用[30]，既取得良好注漿加固效果，又大幅降低了加固成本。

2.3.3.2 設備工藝優化

1）增加液壓支架護頂裝置。針對頂板破碎的特點，應著重加強工作面液壓支架對破碎頂板的防護能力，從液壓支架自身結構上防止頂板漏冒事故的發生。在架型選擇上建議采用全封閉式、整體頂梁、帶伸縮梁和護幫板的液壓支架。

2）減小截割深度。當工作面片幫嚴重、頂板破碎導致端面空頂距加大時，可采用減小循環進尺截深的方式來減少空頂距。如采煤機截深為630 mm，液壓支架端面距一般為250 mm 左右，支架的伸縮梁行程為800 mm，采煤機割過后在不移架的情況下伸縮梁伸出基本可以抵到煤壁，可有效防止頂板漏頂。

3）帶壓擦頂移架。支架工移架過程中應堅持帶壓擦頂移架的方式，控制降架幅度，減少降架對頂板的擾動。

4）跟機移架。采煤機上滾筒割過后應將支架的伸縮梁及時伸出護住頂板，支架工隨后及時跟機移架，必要時采取超前拉架措施，支架移架速度應不低于采煤機割煤速度。

3 結 論

1）煤礦頂板事故高發區域為掘進工作面、采煤工作面、巷修區、回采巷道及巷道交叉點，影響頂板事故的因素很多，主要表現在3 方面：井下地質與生產條件、開采與支護技術及裝備、頂板安全管理。采掘區域圍巖地質力學探測與評估不健全，采掘空間支護設計不合理，材料不合格，礦壓監測不規范，特殊區域頂板支護不合理，施工工藝落后或采用淘汰施工工藝施工，違反煤礦安全規程，違章指揮、違章作業等均有可能引發頂板事故。

2）采掘區域圍巖地質力學測試與評估是頂板事故防控的首要的基礎性工作。通過地質力學測試與評估，了解清楚采掘區域煤巖層賦存狀況、頂底板巖性、煤巖體強度、地質構造與圍巖結構、地應力、采掘空間周圍采動情況等，為采掘空間布置、圍巖控制及頂板災害防治提供了可靠依據。

3）我國煤礦巷道圍巖控制技術已形成以錨桿與錨索為主體支護，輔以棚式支護、噴射混凝土、注漿加固及卸壓的格局。預應力高強度、高剛度錨桿與錨索支護已得到大面積應用，在控制巷道頂板事故方面起到重要作用。地質構造帶和復雜地段是巷道頂板事故的高發區域，應根據具體條件，采用有效的補強加固方法。包括增加支護密度、強度與程度，采用聯合支護，必要時進行注漿加固。

4）對于深部高應力巷道、強采動巷道，單獨采用支護加固法有時很難有效控制巷道圍巖大變形，將巷道布置在應力降低區或將淺部圍巖高應力轉移到圍巖深部，是巷道圍巖控制的有效途徑。深孔爆破和水力壓裂是2 種有效的巷道圍巖卸壓方法，可根據巷道圍巖具體條件選擇采用。

5）綜采工作面支護頂板與煤壁的核心裝備是液壓支架。我國已研發出適用于薄煤層、中厚煤層、厚煤層及特厚煤層綜采、綜放開采的各類液壓支架，基本滿足了工作面安全支護的要求。當工作面頂板存在堅硬難垮巖層時，可采用深孔爆破、水力壓裂等技術對頂板進行弱化，防止頂板大面積垮落引起安全事故；當工作面頂板、煤壁松軟破碎時，可采用注漿加固配合設備工藝優化進行綜合控制。

雖然近10 年來我國煤礦頂板事故發生起數和死亡人數大幅降低，但頂板事故仍是我國煤礦的高發事故，特別是自2017 年后頂板事故發生起數和死亡人數出現反彈，因此，頂板災害的防控工作任重道遠。