大同礦區特厚煤層堅硬頂板失穩致災研究與防控措施

孫浩杰，徐青云，趙曉渝

(山西大同大學 煤炭工程學院， 山西 大同 037003)

頂板事故是當前礦井事故的重點類型之一，在所有礦井安全事件中，頂板事件所導致的遇難人員占比都很高，嚴重危害著礦井的安全有效生產[1]，特別是在特厚煤層堅硬頂板條件下開采，頂板更難管理。大同礦區的塔山礦、同忻礦等礦井主要開采石炭系14～20 m特厚煤層，煤層厚度大，上覆頂板堅硬。在長期的開采過程中，學者和工程技術人員針對大同礦區堅硬頂板失穩理論以及防控措施進行了多方位的研究，取得了明顯的成就[2-8]，但是頂板事故仍有發生，如大同市云岡區吳官屯村2020年的“6·12”頂板事故以及2020年大同煤礦塔山“4.14”頂板事故。煤礦頂板事故防治的形勢依然嚴峻復雜。因此，在研讀前人文獻的基礎上，對大同礦區堅硬頂板進行失穩分析，并提出防控措施，以進一步提高堅硬頂板的安全管理水平。

1 大同礦區堅硬頂板理論分析

采場上覆巖體的結構特征與運動形態，對采場生產工作區、工作面端頭區、運輸巷道區等會形成明顯的礦壓顯現。上覆巖層隨著地層的巖性、厚度及其結構的變化，而存在著不同的運動規律，同時上覆巖層的各種構造形態，也會使頂板產生各種運動特征。

大同礦區上覆巖層中存在多層堅硬頂板，導致工作面來壓強烈，在工作面前后方產生強烈的動壓顯現。根據錢鳴高院士提出的關鍵層理論分析[9]，大同礦區上覆巖層中的多層堅硬頂板基本上符合關鍵層的定義，由此分析可以得出，大同礦區在開采過程中，低位亞關鍵層控制工作面的初次來壓和小周期來壓；容易引起工作面周期大來壓的為高位亞關鍵層的破斷；主關鍵層發生破斷，則會產生十分強烈的礦壓顯現，結合復合關鍵層理論，它的破斷必將引起工作面及工作面的前后出現強烈礦壓顯現、動壓顯現等復合礦壓現象，且影響范圍較大，極易引起臨空巷道變形和堅硬頂板的大面積垮落，造成嚴重的災害。

2 大同礦區堅硬頂板失穩分析

2.1 礦壓觀測分析

礦壓觀測分析被廣泛應用到頂板穩定性的研究，于斌[2-3]對塔山礦8105工作面、8106工作面和同忻礦8104工作面、8105工作面進行對比分析，通過現場礦壓觀測，得出在堅硬頂板失穩前后的礦壓規律，提出了大同礦區工作面頂板來壓具有大小周期的現象。張宏偉[4]在研究大同礦區3-5#煤層時，通過對實際礦壓測試，發現堅硬的覆巖特厚煤層采場上方出現“覆巖大結構”，并且伴隨工作面的向前推進，“覆巖大結構”也在繼續發展中，它的產生、發展與失穩，造成工作面礦壓顯現強烈。從上述研究結果可以看出，大同礦區礦壓顯現超前支承壓力影響范圍很大、工作面來壓呈現大小周期現象，而且關鍵層斷裂引起的大周期來壓現象非常強烈。

2.2 模擬實驗分析

在煤炭開采研究中，進行數值模擬實驗分析是經常使用的一種研究方法。胡浩[5]通過UDEC數值模擬，研究同忻礦3-5#煤層開采過程中頂板的破斷運動，得出工作面推進至160 m時，亞關鍵層下出現離層，工作面推進到200 m時，亞關鍵層上部部分巖層隨其垮落，主關鍵層下出現離層，堅硬頂板經常出現大面積懸露情況。可見，大同礦區的堅硬頂板初次斷裂步距和周期垮落步距均較大，容易出現堅硬頂板大面懸露的情況，一旦發生頂板大面積垮落，必然會造成煤層上方強烈的礦壓顯現。

3 大同礦區堅硬頂板致災防控措施

在頂板治理中，根據實際生產情況，多種措施綜合使用，才能實現生產安全高效和生產效益最大化。堅硬頂板致災防控措施圖見圖1.

圖1 堅硬頂板致災防控措施圖

3.1 辨識和控制事故危險源

辨識和控制事故危險源是防范煤礦頂板事故的首要工作。對采礦區域進行地質檢查和測量是在進行采礦地下作業之前必做工作。將最精準的數據信息做好記錄，通過所測數據分析會造成礦井發生重大安全事故的主要原因，開展地下危險評估，提出科學合理的采礦方法，并制定安全措施，就能夠減少由于不合理的采礦而導致的礦井頂板事故，在保障工人生命安全的同時生產效率也會獲得提升。

3.2 實施優秀技術措施

3.2.1 堅硬頂板水壓致裂

實施堅硬頂板水壓致裂，可以避免頂板大面積垮落造成安全災害。大同礦區最需要注意的就是要避免堅硬頂板帶來的來壓強烈、動載系數大、冒落巖石塊度大、頂板大面積垮落等引起的沖擊地壓現象。水壓致裂可以實現巖梁厚度的減小、巖梁抗彎界面模量的降低，從而實現破壞頂板的完整性，進而減緩工作面的礦山壓力。

王愛國、武潔[6-7]等在大同礦區應用堅硬頂板水壓致裂技術，發現最重要的是頂板弱化參數的確定。頂板弱化參數涉及致裂位置、鉆孔間距、注水壓力的選定以及注水量和注水時間的設定。根據大同礦區的實踐經驗，鉆孔間距一般選擇30～40 m；注水壓力應該不小于煤巖體的抗拉強度，但也不能過大，使得壓力從開放裂縫放掉。

3.2.2 優化開采技術

優化開采技術首先就是要選擇合適的開采方法，宗保東[8]在塔山煤礦四盤區的開采問題上提出，在煤層厚度4.5～7.2 m的盤區，使用大采高一次采全高的方法進行；在煤層平均厚度約10 m的盤區，適合采用大采高綜放開采的方法。

為了減弱高構造應力，可以采取優化采掘布置，靈活處理開采順序的方法，提高工作面開采的安全性。優化采掘布置就是要根據實測礦井的地應力分布特征，選擇合理的工作面推進方向，合理布置工作面的回采巷道布置方向；優化開采順序就是在開采高應力集中區下的煤層時，考慮煤體活動與應力分布的特點，在降低區域高應力集中程度后進行開采。

3.2.3 工作面支架合理選型

合理的工作面支架選型，可以保證支護強度，保證工人安全。根據特厚煤層工作面堅硬頂板結構的破斷特征與工作面支架阻力的確定方法，在大同礦區的特厚煤層進行開采時，最好選擇15 MN以上的高強度液壓工作面支架，結合綜放開采的技術條件，應該選擇支撐掩護式低位放頂煤液壓支架。楊勝利[10]運用中厚板理論，重點分析了支架-圍巖大系統中的剛度耦合效應，對液壓支架“動載荷法-剛度耦合”綜合選型方法作出了創新，此方法同樣適用于大同礦區堅硬頂板。

3.3 提高工作人員安全意識

提升工作人員素質，因材施教，在思想上重視頂板管理，提升事故防范意識，杜絕“三違”發生。煤礦企業應對頂板管理的負責人、施工人員、監督檢查的安全員等，分層級開展煤礦頂板安全相關技術、管理及修制訂的各項規定的培訓，加大培訓力度，提升培訓成效[1,11].

3.4 實施合理的工作面管理制度

強化開采工作面的頂板管理，制定完善的規章制度，如遇過褶曲、斷層等地質構造區，以及巷道交叉口、巷道刷擴區等復雜地段時，應及時更新頂板管理制度，制定完善應對措施。在作業前，將安全生產保障工作有效執行完畢后再實施采掘工作；結束作業時要把工作中心任務放到工作面管理上；結束作業后，安全員要認真仔細觀察作業面的頂部荷載集中與分布狀況，把切頂密梁、從柱以及大垛等具備基本支撐功能的頂板保護設施做好，以有效避免頂板由于承壓過大而引發的冒頂事件。

4 結 語

運用關鍵層理論對大同礦區特厚煤層堅硬頂板的地質條件進行了分析，得出多層堅硬頂板基本上符合關鍵層屬性，存在低位亞關鍵層、高位亞關鍵層和主關鍵層，不同層位頂板的破斷起著不同的作用。通過研讀大同礦區礦壓觀測和模擬實驗的文獻，得出大同礦區出現的礦壓顯現中，超前支承壓力會形成較大的影響范圍，并且工作面來壓具有大小周期現象，堅硬頂板初次斷裂步距和周期斷裂步距較大,并提出了針對大同礦區堅硬頂板的防控措施。