煤層群開采端面冒頂事故發生機理與控制*

石 鵬，秦 松，帥運林，胡品品

(貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

貴州地形以喀斯特地貌為主，受地質構造影響，其山脈高聳、切割強烈，有復雜的地貌特征地表崎嶇且地下則發育著地下河、暗湖、溶洞[1]。導致在貴州煤礦開采的過程中冒頂事故頻發，其中端面冒頂事故的發生不僅破壞工作面的機械裝置，而且威脅著采礦工人的安全，使得貴州省的煤層群的開采更為困難。貴州省的煤礦事故主要有瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、頂板事故、水災等，其中冒頂事故占比最大。冒頂事故會造成巷道堵塞，導致瓦斯積聚、瓦斯濃度短時間內提高，工作面、巷道煤壁片幫等事故發生。因此，有效預防冒頂事故發生就顯得極為緊迫。

冒頂事故從影響的范圍大小分為大型冒頂事故與局部冒頂事故，其中局部冒頂事故占比高達70%左右，雖然局部冒頂事故不會造成大面積的危害，但是會導致設備損壞、人員傷亡等安全事故，影響煤礦正常生產。發生冒頂事故的原因有很多，在松軟的煤、巖層及地質破碎帶、斷層帶等特殊地質條件下，掘進巷道時，破碎頂板在重力作用下出現垮落，較有可能發生冒頂[2]。端面冒頂事故屬于局部冒頂事故，造成工作面兩端煤壁片幫、影響煤炭運輸及井下的回風等。所以，有效地控制局部冒頂的發生，對防范冒頂事故有著重要意義。從貴州煤礦受采動影響的應力特征與結構出發，分析端面冒頂事故發生的機理以及控制端面冒落的技術。

1 煤礦頂板穩定影響因素

1.1 特殊地質構造應力分析

在漫長的地質形成過程中，地殼運動劇烈，形成了復雜的地質構造，對煤礦開采有直接影響如褶皺、斷層及喀斯特溶洞等，同時，在這些構造周圍由于巖層之間的相互作用通常存在著應力集中現象，當開采其周圍煤炭時極易造成冒頂事故。例如：采掘過程中碰到背斜時，受背斜影響老頂初次破斷距減小，初次來壓時在基本頂回轉作用下，煤體的抗剪能力大大降低，容易發生片幫[3]。端面冒頂事故影響范圍較小，但端面冒頂事故的發生沒有規律性，一旦發生可能導致采掘面機械的損壞、堵塞巷道等，進而影響生產。這類事故是由于已破壞的頂板失去了依托而造成的，局部冒頂絕大部分發生在靠近斷層、褶曲軸部等構造[4]。

由于貴州復雜的地質構造(斷層、褶皺)，各巖層之間存在著較大的構造應力，使得開采時，需提前探清掘進或回采面前方是否存在構造應力集中情況，避免發生小面積冒頂事故。

1.2 礦壓顯現分析

根據礦山壓力顯現規律，礦山壓力峰值區主要集中在工作面。實踐表明，破碎頂板(或頂煤)塑性變形量大、彈性變形量小，礦山壓力沿工作面上覆的破碎頂板(或頂煤)向前進一步延伸、釋放至煤壁，在工作面端面區域形成了壓力最高峰值，煤層受到支撐壓力最大，極易引起煤壁的片幫，造成工作面的冒頂事故[5]。

端面冒頂在采動影響下的因素分析。

地質因素：由于貴州省特殊的地形地貌，在地下存在著大量的溶洞、地下水等，造成在掘進巷道的過程中，當遇到斷層、褶皺等構造時，由于頂板的強度低導致冒頂事故的發生。

可控因素：工作面長度、割煤高度、端面距、采煤速度、支架俯仰角、支架初撐力、支架梁端支護力等。

不可控因素：煤層受采動影響后出現的應力重分布現象，如頂板來壓、頂板壓力影響、煤壁片幫等，目前尚未有技術去控制的因素。

總之，影響近距離煤層群重復采動下端面頂板穩定性的因素是多方面的，它們之間既相互聯系又相互對立。如何通過合理地設計化解和改進各影響因素間相互沖突，使其相互協調，維持端面頂板穩定是研究的主要目的。

針對近距離煤層群端面頂板穩定性而言，選取適當的研究范圍和對象尺度，從端面頂板直接接觸的范疇來看，工作面煤壁和液壓支架是端面頂板兩側的關鍵控制對象，通過分析煤壁、液壓支架與端面頂板穩定性的關系，能夠明確研究近距離煤層群端面冒頂的影響因素，便于提出合理的控制措施。通過建立煤層群在受采動影響下的“端面頂板-煤壁-支架”模型，從3個方面以及各方面之間的相互影響出發，研究端面頂板的穩定性。圖1為頂板-煤壁-支架的模型。

圖1 頂板-煤壁-支架力學模型Fig.1 Mechanical model of roof-coal wall-support

由圖1可知，近距離煤層群開采下端面頂板影響因素應該主要從端面距、采煤速度、支架俯仰角、支架初撐力、支架梁端支護力等方面考慮。

2 貴州省煤礦端面冒頂事故機理分析

2.1 端面重復采動下的礦壓顯現

當工作面未受采動影響時，工作面周圍巖層應力將重新分布，不僅在回采空間周圍煤體(柱)上造成應力集中，并向底板深部延伸，在底板巖層一定范圍內重新分布應力，這是影響近距離煤層頂底板穩定的重要因素[6]。隨著開采深度的增加，頂板所受的壓力會因其所覆蓋巖層的應力增加而變大。在回采工作面兩端的頂板壓力變化最大，此時，頂板的中部位置首先會因礦山壓力增大而產生形變。由于工作面應力的重新分布，應力集中在一個位置，當超過了頂板強度后發生端面冒頂事故。

2.2 頂板-煤壁的強度

受重復采動的影響，在下位煤層開采時，頂板和煤體受到了不同程度的損傷，巖體的裂隙和節理發育，RQD值變小，在采動作用下容易出現煤壁片幫與端面冒頂的事故。

貴州近距離煤層群重復開采后，頂板兩端出現大量裂隙，為保證工作面開采的順利進行，在開采過程中提前做好破碎端面頂板冒漏的防治工作，上位煤層開采完畢，塑性破壞區域明顯增多，主要分布在采空區兩端和中部位置，直接影響到下位煤層頂板，在開采下位煤層時，為避免影響工作面的正常開采，需時刻注意兩端發生頂板冒漏。綜上，上位煤層開采對下位煤層頂板造成了損傷破壞，因此，在煤層開采過程中，頂板控制尤為重要，特別是在上部采空區的兩端，裂隙分布密集、塑性破壞區域集中，需要注意端面頂板冒漏情況，才能有效地控制冒頂事故的發生。

2.3 影響頂板穩定性因素

2.3.1 空頂時間

在煤炭的回采過程中，炮采、普采、綜采都存在一段時間梁端或支架到煤壁的距離增加。炮采空頂時間指放完炮時及放炮過程中的煤幫區空頂時間；普采、綜采空頂時間指綜采工作面煤機割煤與拉架推移支架之間的煤幫區空頂時間，這段時間會增大頂板的破碎面積，進而導致端面冒頂事故的發生。

空頂時間與頂板冒落高度的關系，如圖2所示。

圖2 空頂時間與頂板冒落高度的關系Fig.2 Relationship between unsupported roof time and roof caving length

由圖2可知，頂板冒落高度與空頂時間呈正比例關系。把握空頂時間可以有效縮短工作面頂板冒落的高度。

2.3.2 液壓支架的初撐力

巷道(工作面)所受的支承壓力不同，工作面液壓支架所受的支承力也不同，由于工作面應力分布不均勻，工作面兩端受支承壓力更大，因此，需根據支承壓力的大小選擇液壓支架。這一措施對巷道支護的穩定有著特殊意義。

不同初撐力下端面冒頂情況見表1。

表1 不同初撐力煤壁片幫與端面冒頂情況統計Table 1 Statistics of coal wall caving and end face caving with different setting forces

由表1可知，頂板冒落一般發生在支架初撐力較小的地方，當控制初撐力在一定范圍時，可以有效地控制住頂板的冒落。

當支架初撐力較低時，頂梁與直接頂接觸不穩，甚至脫離直接頂，往往會導致上覆頂板在工作面煤壁附近切斷，斷裂后巖塊幾乎全部作用于支架上。初撐力不足，支架工作狀態差，極易發生頂板冒落及煤壁片幫，在提高支架初撐力后，煤壁片幫和頂板冒落得到了有效控制[7]。

2.3.3 端面距對端面冒頂的影響

圖3為不同距離下端面與頂板冒漏情況。

如圖3所示，當端面距為0.5 m時，巷道端面頂板比較穩定，基本不會出現頂板冒漏和煤壁片幫現象，端面頂板控制效果比較顯著；當增大端面距為1 m時，端面頂板開始出現小范圍的變形，煤壁變形量小；當端面距為1.5 m時，頂板與煤壁出現變形，同時在巷道端面形成了較好的承壓拱結構，即拱的兩幫坡度較緩；當端面距為2 m時，頂板不再穩定出現明顯破碎，導致出現大面積的垮落，煤壁片幫嚴重造成端面冒頂，頂板下沉迅速增加，很難進行端面冒頂的控制，導致端面頂板冒漏現象嚴重。

圖3 不同距離下端面頂板冒落情況Fig.3 Roof caving of end face at different distances

因此，從不同端面距考慮，端面距越小，端面頂板越穩定，但是端面距太小也會影響到工作面的正常開采。根據本礦的地質條件考慮，為保證端面的完整性和易控性，端面距在1 m左右最為合適。

2.3.4 工作面推進速度

工作面推進速度是影響端面穩定性的重要因素之一，推進速度越慢，煤壁前方煤體破壞深度和煤壁最大水平位移量越大[8]。

在工作面不同的推進速度下，統計的煤壁片幫和冒頂次數、深度以及范圍，見表2。

由表2可知：①煤壁片幫次數和頻率，隨著推進速度增加逐漸減少。從實際數據統計來看，速度越快，片幫深度越小。②在同一推進速度時，隨著片幫深度越大，發生概率越小。③現場工作面推進時，片幫多發生在中上部支架位置，分析是受夾矸影響。因此，工作面推進度越大(推進速度快)，頂板的破碎度越小，煤壁片幫深度及片幫范圍越小，在實際生產過程中應加強頂煤控制、保證工作面正常的推進速度是防止端面頂板冒頂及煤壁片幫的有效措施[9]。

表2 推進速度與工作面片幫關系Table 2 Relationship between advancing speed and wall caving

出現上述規律原因如下：①當工作面推進速度越慢時，煤層受頂板擠壓時間越長，塑性范圍區越大，造成煤壁穩定性變差；②當工作面推進速度較快，煤層裂隙發育程度低，不利于內部瓦斯的釋放。通過以上分析可知，回采過程中，在保證安全的情況下，盡量提高推進速度有利于控制冒頂和片幫。

3 端面頂板控制技術

分析上述結果，影響貴州煤礦端面冒頂事故的因素很多，其中受采動影響下的工作面支架、煤壁承受頂板較大的靜載荷作用，煤層塑性破壞范圍較大，因此，預防頂板冒漏是工作面圍巖控制的關鍵，建立“頂板-煤壁-支架”的力學模型，從頂板、煤壁、支架3個方面對端面頂板的冒漏進行防治。

3.1 增加頂板及圍巖的強度

根據“煤壁-頂板-圍巖”與頂板冒頂的聯系，提升三者的強度對于頂板端面冒頂的控制有著顯著作用。提升煤層頂板以及圍巖的強度，可以預防端面冒頂事故的發生，實現正常生產。對于頂板黏結性差，在支護強度未能達到圍巖變形要求的情況下，極易發生漏冒型冒頂事故[10]。

提升頂板強度的主要采用注漿、錨網等方法，注漿技術簡單、操作容易、效果顯著，但是成本較高，遇到復雜地質可能會導致生產的經濟效益低。

提升圍巖強度主要有錨桿、錨索支護等方式且發展較為成熟，面對不同工程特性的圍巖有較全面的支護方式。也可通過開槽卸壓與松動卸壓來減小工作面兩端集中應力的大小。

3.2 減小空頂距

在煤層群開采中，采掘面的空頂范圍越大，越不利于頂板的支護。特別在破碎頂板或者突出礦井中要做到盡可能地減小空頂范圍，從而防止煤壁片幫和端面冒頂事故的發生。在實際操作過程中，采用控制端面空頂的范圍，以提高端面頂板、煤體的穩定性。具體為：①選擇合適的采煤機型號，主要取決于截深。采煤機截深過大時，空頂距大，不利于頂板的控制，根據數值模擬結果截深應控制在1.0 m左右。②盡可能使截割出來的頂板平整并且帶一定角度保持微仰狀態，從而減小支架頂梁第一接頂點到梁端的距離，減小了空頂的范圍。

3.3 控制推進速度

當工作面推進速度過慢時，煤層受頂板擠壓時間越長，采掘面周圍塑性范圍區越大，造成煤壁穩定性變差，但如果工作面推進速度太快，煤層裂隙發育程度低，又不利于內部瓦斯的釋放。所以保持適當的推進速度可以限制煤壁松動層變寬，防止煤壁與頂板破碎加大，失去穩定性導致冒落，同時還要盡量縮短空頂時間，以防冒頂發生。

3.4 破碎頂板的錨網支護

在采面的推進過程中，如果破碎頂板在進入頂梁上方時已很破碎，且頂梁上方有矸石、廢石等限制時，移架時，浮矸從架間及端面漏下，無法做到及時的支護；在這種情況下鋪頂網能阻擋破碎頂板冒落，達到改善頂板的功效。當巷道頂板處于破碎狀態時，極易導致冒頂事故的發生，同時掉落的矸石與碎石還可能導致人員受傷。超前將錨桿打入未開挖的圍巖以后，其前端支撐于巖體內，后端支撐于棚梁上形成了梁效應，支撐住其上的巖體，減少了圍巖的變形[11]，避免了巖體的局部冒落，可以有效防止冒頂事故的發生與矸石的掉落。并在巷道內設置變形觀測點，對觀測點進行持續跟蹤，根據記錄結果，當巷道施加錨索后，變形量明顯減小，說明加固的強度達到預期效果[12]。

3.5 選擇正確的支護方式

在綜采作業中，工作面按照采煤工序不同，支護主要有3種方式，分別為超前、及時、滯后支護。區別在于采煤、移架、推移輸送機3個工序在時間上的順序不同。及時支護方式指采煤機割煤后，支架依次或分組隨采煤機立即前移支護頂板，輸送機隨移架逐段移向煤壁[13]，這種方式雖然能夠在推移輸送機后，在支架與輸送機之間富余出一個截深的寬度，便于行人、運料和通風，但是卻不適用于頂板穩定性差的煤層中，因為在移架過程中暴露出來的破碎頂板可能導致端面冒頂的發生。

綜采面遇到不穩定破碎頂板時，在開采前進行頂板加強、保持頂板穩定是非常困難的，如果直接推進采煤機又會導致局部破碎頂板的冒落造成生產停滯，損壞機械設備等不良影響。因此，采取工作面超前支護，提前控制工作面前方頂板，可以預防端面冒頂發生，保證采煤機正常作業時頂板不會冒落，采煤和推移輸送機工作安全順利。

4 結語

(1)根據貴州省的地形地質特點，煤炭開采過程中，通過分析事故起因，冒頂是主要的礦井事故，需要盡可能控制端面冒頂事故的發生。

(2)雖然貴州地勢復雜，煤礦生產更為困難，通過相應的技術措施，端面冒頂事故可以得到有效遏制。由于冒頂事故的誘因復雜，僅結合幾個重點誘因進行分析與防治。

(3)端面冒頂事故的發生占煤礦事故的比例較大，即使有控制技術的支持，仍需加強工作人員的安全防范意識，規范操作才能真正做到有效地控制端面冒頂事故的發生。