礦井頂板事故分析研究及預防機制

王 力 趙佰高 吳貝貝

（山東能源臨礦集團新驛煤礦，山東 濟寧 272116）

頂板管理直接關系到煤礦生產的安全，關系到煤礦工人的生命和健康。加強頂板管理，根據礦井地質條件、采掘工藝，研究采取針對性措施，才能有效預防煤礦頂板事故發生。

1 礦井概況

新驛煤礦位于山東省濟寧市境內，屬寧陽汶上煤田，位于華北陸塊魯西南潛隆起區菏澤-兗州潛斷隆的西北部。井田內共有可采煤層5層，即：3上1、3上2、15上、16、17煤層，其中3上1與3上2為主采煤層，層間距0～7m。頂板主要為泥巖、粉砂巖，少數為中、細砂巖，個別孔見炭質泥巖、泥巖偽頂；底板主要為泥巖、粉砂巖，少數為細砂巖。井田內斷層較發育，落差大于30m的斷層51條，小于30m的斷層398條，其中落差100m以上的11條，200m以上的5條。斷層發育方向主要為北東向、北西向和近南北向，以正斷層為主，斷層規律性明顯。煤層地質柱狀圖見圖1。

圖1 煤層地質柱狀圖

2 頂板事故案例研究分析

2.1 頂板事故案例

（1）1109工作面切眼頂板事故(位置如圖1所示)。1109工作面位于礦井東部，靠近井田邊界，南面為1109副面，根據三維勘探，副面斷層多，構造復雜，回采時揭露一陷落柱；東面緊鄰FD135-4斷層，落差15m，切眼掘進時，煤層漸漸變薄，連續過斷層，此時頂板破碎伴有淋水；工作面與皮帶順槽貫通時，頂板發生冒落，冒頂長度6m，寬度3.6m，高度5m。

（2）1106下皮帶順槽頂板事故(位置如圖2所示)。1106下皮帶順槽揭露FD158斷層時，向右幫開口探測1106F6斷層位置，掘進11m到斷層時停止掘進，正常按巷道方向施工，過斷層（FD158）20m后，后路發生頂板冒落，冒落高度大于6m。

（3）1106下軌順超前段頂板事故(位置如圖3所示)。1106上、下工作面煤層間距2.5～5m，設計聯合布置，同時推采，超前距離6～10m，超前支護30m。當1106下面推采至500m位置時，軌道順槽超前支護外20m處，頂板冒落，長度7m，寬度3.5m，高度5m，此時支護錨索脫落。

（4）南翼集中皮帶巷頂板下沉(位置如圖4所示)。南翼集中皮帶巷為開拓巷道，2010年1月施工，直墻半圓拱，按10°上山施工。期間過長溝支五斷層，實際揭露斷層落差220m，斷層帶為破碎巖石，紫紅色粘土。過斷層時巷道沒有明顯壓力顯現，稍微有底鼓現象，無淋水。2011年3月，底鼓加大，頂板出現裂縫，出現淋水，到4月16日早班，工區匯報巷道頂板明顯下沉，淋水加大，出水量15m3/h，到夜班匯報頂板急劇下沉，影響皮帶運行。

圖2 1109切眼冒頂平面圖

圖3 1106下軌道順槽冒頂平面圖

圖4 1106下皮帶順槽冒頂平面圖

圖5 南翼集中皮帶巷頂板下沉平面圖

2.2 頂板事故征兆

頂板發生冒頂事故，不是瞬間突發，是一個長期發展過程。受采動礦壓影響，巷道頂板不完整處，會壓力顯現，出現一系列冒頂征兆，具體表現在以下幾個方面：

（1）頂板上方出現類似悶炮聲音，俗稱“煤炮”，主要是在老頂壓力下直接頂破碎，發出破裂聲響。在采煤工作面及兩端頭附近出現幾率最大。

（2）頂板下沉，有掉渣現象。主要是直接頂板受壓下沉速度加快，下沉量增大。

（3）支柱出現鉆底現象。活柱下縮速度加快，有時變成“死柱”；有時支柱彎曲變形，甚至出現斷裂現象。

（4）煤壁被壓酥，片幫現象加快，片幫量加大。（5）巷道出現底鼓，頂板淋水增大。

（6）頂部支護錨索、錨桿出現退壓，錨索、錨桿托盤被壓扁，甚至被壓反轉；頂板出現裂隙，巖石有離層現象。

2.3 冒頂事故的基本規律

（1）頂板事故多發生在頂板破碎處。

（2）巷道交叉位置，新開門位置跨度大的地方是冒頂多發之地。

（3）過斷層破碎帶、褶曲軸部、沿斷層掘進的巷道、沿空巷道、埋深大的巷道發生冒頂的幾率高。

（4）工作面冒頂事故多發生在來壓期間，煤壁線、切頂線和端頭附近，突然間的壓力破壞了原有巷道支護平衡。

3 事故預防措施

（1）嚴格落實頂板管理制度

制定切實可行的頂板管制制度，從制度上嚴把第一道關，做到工區班組自查自糾，科室管理人員日常巡查，定期組織頂板安全專項檢查；查出問題要制定措施按期整改，工區整改后要及時銷號，安監處作為監督管理部門，要做好問題的監督整改和考核工作。通過查問題→整改→銷號→監督考核的閉環管理，形成封閉式管理體系。

（2）推廣使用礦壓在線監測系統

隨著智慧礦山建設，互聯網技術越來越多的應用到礦山行業，礦壓在線監測系統可以對回采工作面支架初撐力、巷道頂板下沉量、錨桿錨索載荷應力、煤（巖）層內部應力進行在線監測。數據時時傳輸到控制終端，監測數據自動存儲，數據庫信息共享，根據監測數據綜合分析做出頂板安全評估。

（3）強化小間距煤層頂板支護

沿3上2煤層掘進時，探明3上2煤層與3上1煤層之間層間距，做到錨索（規程中錨索長度為6m）要錨固到堅硬巖層中，當層間距小于6m時，要更改錨索長度，使錨索穿過3上1煤層，錨固到3上1煤層頂板中，并縮短錨索間排距，加強支護。

（4）加強巷道交叉點處頂板支護

三岔門、四岔門巷道開口處，由于跨度大，巷道圍巖中的不利點的應力和位移隨著巷道跨度增大而急劇增加，由量變到質變，使巷道穩定性迅速惡化，用以往的理論和實踐積累的經驗來指導大跨度巷道的支護已經不能滿足支護要求，要采取錨索之間加橫梁，使錨索與錨索之間連成統一組合梁，根據礦井實際冒落帶高度選擇錨索長度，錨索與錨索間，支護錨桿作為輔助支護，保證圍巖的整體性。

（5）采取巷道過斷層綜合措施加強頂板支護

特別是落差大于50m的大斷層，由于地層沿斷層面發生位移，導致初始應力場的擾動，在采掘活動下斷層容易發生“活化”。大的斷層還可能導致與含水層對接，造成突水，突水沖刷斷層破碎帶巖石碎屑，形成裂隙，破壞巖層的完整性。過斷層采取措施是：擴大斷面施工，預留變形量，采取深孔注漿和壁后注漿使圍巖成為一個整體；深孔埋設排水管，集中放水，釋放水壓；圍巖特別破碎時，架設拱形鋼棚，最后噴漿封閉。

（6）巷道過陷落柱聯合支護

陷落柱是可溶性巖層在地下水強徑流下，經過漫長時期侵蝕形成溶洞、裂隙、孔隙，隨著侵蝕作用加強，孔洞不斷擴大，最終受重力和構造力影響，導致上覆地層失去支撐，垮塌陷落而形成。陷落柱內的巖層遭到破壞，被煤巖石碎塊、粘土充填，無層序，松散狀。過陷落柱措施：探明陷落柱位置、范圍、形狀、含水性、柱內巖塊的性質、充填物的密實程度；采用“錨網+鋼棚”聯合支護，噴漿封閉防治風化；防止頂部出水，造成沖刷，漏頂。

4 結語

（1）通過頂板事故分析研究，事故多發生在地質構造附近，巷道交叉處因跨度大也是事故多發地，經過多次實踐，提前對巷道頂板采取有效措施，杜絕了頂板事故發生。

（2）準確可靠的地質資料是預防頂板事故的基礎，查清地質構造，對預防巷道頂板事故有著極其重要的意義。

（3）通過認真分析研究，總結不同地質條件下加強頂板管理和支護的經驗結論，針對具體情況采取措施，可以更好地對頂板有重點的監控，完善頂板管理機制。