煤礦采掘工作面頂板管理的問題研究

張軍(銅川礦務(wù)局照金項目部，陜西 銅川 727000)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)經(jīng)營過程中，安全工作是所有管理工作的基礎(chǔ)。通過對煤礦事故的總結(jié)和分析發(fā)現(xiàn)，頂板事故是煤礦最常見、最容易發(fā)生的事故，因此煤礦企業(yè)必須將頂板管理作為安全管理工作的重點。在采掘活動中要充分了解引發(fā)頂板事故的原因，并制定完善的技術(shù)方案和管理制度，防止在采掘活動中發(fā)生頂板事故，給從業(yè)人員的人身安全以及煤礦企業(yè)的財產(chǎn)經(jīng)濟造成重大損失，從而增強煤礦企業(yè)在激烈市場競爭中的核心競爭力，為煤礦企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 煤礦采掘工作面頂板問題研究

1.1 采煤工作面煤壁冒頂問題

在采煤作業(yè)中，由于煤層直接頂巖層中有原生性裂縫存在，或者巖層結(jié)構(gòu)受采煤振動及壓力重新分布的影響，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性未能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)等因素都有可能造成工作面煤壁發(fā)生冒頂問題[1]。因此要采取及時合理的支護(hù)方式，并對頂板的壓力進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

1.2 采煤工作面兩端頭冒頂問題

在采煤作業(yè)時，其機頭或機尾位置經(jīng)常會移動，致使該處的支護(hù)反復(fù)移設(shè)，頂板也反復(fù)支撐，同時，受采動超前壓力的疊加作用，對工作面兩端頂板產(chǎn)生非常大的影響。此外，如果工作面及所連接巷道支護(hù)的初撐力未能達(dá)到施工要求，也可能會導(dǎo)致該處頂板發(fā)生冒頂問題，因此這是采面頂板管理工作中的重點環(huán)節(jié)。

1.3 采煤工作面放頂線冒頂問題

采煤工作面頂板會隨著采煤的不斷推進(jìn)而產(chǎn)生比較明顯的下沉，而當(dāng)巖層中存在離層性巖石時，其會在回柱作業(yè)中產(chǎn)生失穩(wěn)移動，因此會對支撐的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響[2]。此外，在對支柱進(jìn)行回撤作業(yè)時，當(dāng)所有支柱完成回撤后，頂板有可能會出現(xiàn)推垮性冒落問題，威脅到作業(yè)人員的安全，因此需要加強這一環(huán)節(jié)的頂板安全管理工作。

1.4 掘進(jìn)工作面煤(巖)壁冒頂問題

掘進(jìn)機(爆破)在破煤(巖)作業(yè)的過程中，其頂幫部可能會有破碎煤(巖)產(chǎn)生。由于其與煤(巖)體間的連接被破壞，一旦支護(hù)未能達(dá)到設(shè)計強度時，煤(巖)體就可能會發(fā)生垮塌等事故。同時如果掘進(jìn)作業(yè)的超前支護(hù)強度未能對工作面頂板進(jìn)行及時有效支護(hù)，會造成頂板冒落問題。

1.5 交岔巷道冒頂問題

由于在采掘活動過程中經(jīng)常需要施工交岔巷道，而且交岔巷道跨度大、應(yīng)力高，容易出現(xiàn)冒頂問題。特別是在原支護(hù)強度不變的情況下，發(fā)生煤(巖)體離層脫落冒頂?shù)软敯迨鹿实臋C率較高，且這類事故隱患難以及時察覺，因此是頂板管理中的重點。

1.6 地質(zhì)構(gòu)造面冒頂問題

煤礦井下采掘活動過程中經(jīng)常會遇到地質(zhì)構(gòu)造帶，如：斷層、褶曲、沖刷帶、陷落柱等，由于受地應(yīng)力影響，這些地質(zhì)構(gòu)造帶煤(巖)體裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中、承壓能力差，當(dāng)?shù)刭|(zhì)資料不清，支護(hù)方式和強度選擇不合適，極易發(fā)生冒頂事故，這是頂板管理的難點。

2 加強煤礦頂板管理的有效途徑

2.1 制定完善頂板管理機制

煤礦企業(yè)應(yīng)高度重視頂板管理的重要性，嚴(yán)格遵守相關(guān)的安全生產(chǎn)技術(shù)管理規(guī)范，制定完善的頂板管理措施，以確保頂板支護(hù)質(zhì)量和安全。煤礦企業(yè)應(yīng)積極應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)，對頂板支撐壓力等指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)檢測，將預(yù)防作為頂板管理工作的重點，有效降低冒頂事故發(fā)生的機率。特別是對地質(zhì)條件復(fù)雜的圍巖進(jìn)行采掘作業(yè)時，煤礦企業(yè)必須采取超前支護(hù)等措施，并綜合運用高強度支護(hù)、貼幫支護(hù)、端頭支護(hù)、切頂支護(hù)以及特殊支架等多種方式來確保開采作業(yè)的安全[3]。同時在采掘過程中應(yīng)采取定期巡檢等方式，通過精細(xì)化的頂板管理措施來確保支護(hù)的安全可靠，從而避免人員的傷亡以及經(jīng)濟財產(chǎn)的損失。

2.2 掘進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造帶頂板管理措施

當(dāng)掘進(jìn)工作面遇到地質(zhì)構(gòu)造帶時，由于構(gòu)造面節(jié)理發(fā)育應(yīng)力集中，會導(dǎo)致不同煤(巖)層間有離層產(chǎn)生，此時頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會受到影響，并導(dǎo)致掘進(jìn)工作面頂板巖層的壓力進(jìn)一步增加，從而造成頂板出現(xiàn)坍塌事故。因此在掘進(jìn)作業(yè)中應(yīng)采用高強度支護(hù)方式來對構(gòu)造面頂板進(jìn)行支護(hù)管理，以避免冒頂?shù)葒?yán)重的安全事故發(fā)生。目前掘進(jìn)工作面面比較常用的是對構(gòu)造帶進(jìn)行超前或前探支護(hù)的方式來保證回采作業(yè)的安全。該支護(hù)方式不僅比較容易操作，而且能夠?qū)^大范圍頂板進(jìn)行有效支撐，同時還可以結(jié)合局部填充膠結(jié)技術(shù)來提高頂板結(jié)構(gòu)的完整性[4]。在選擇地質(zhì)構(gòu)造帶的支護(hù)方式時要注意，必須弄清楚地質(zhì)構(gòu)造、煤(巖)體的層理發(fā)育程度和承壓強度，并結(jié)合巷道寬度高度以及礦壓等因素合理選擇支護(hù)方法，以確保頂板支護(hù)的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 采面地質(zhì)構(gòu)造帶頂板管理措施

在采面過地質(zhì)構(gòu)造帶時，應(yīng)充分考慮端面距以及煤層頂板的實際冒落高度等因素。當(dāng)端面距與冒落高度均為1m時，可以采取鉆眼插鋼針的方式來提高臨時塌冒區(qū)頂板的穩(wěn)定性。而當(dāng)端面距或者冒落高度超出這一安全標(biāo)準(zhǔn)時，則應(yīng)采取相應(yīng)的棚式支護(hù)措施。棚梁可以根據(jù)實際情況使用2或3個，同時應(yīng)嚴(yán)格控制煤壁和采高的一致性。應(yīng)指派富有經(jīng)驗的技術(shù)人員對工作面頂、煤壁進(jìn)行敲幫問頂，以準(zhǔn)確判斷其是否存在離層或者浮煤矸等問題。當(dāng)頂板壓力降低時，施工人員應(yīng)按照端面距的實際長度來進(jìn)行置頂高度的設(shè)置，并將長方木等材料設(shè)置在平行煤壁的位置。作業(yè)人員還可以采取利用液壓前探伸縮梁或護(hù)幫板進(jìn)行支護(hù)的方式來避免頂板出現(xiàn)二次冒頂事故。此外，還應(yīng)綜合利用前探梁結(jié)合插入鋼針以及設(shè)置臨時性支柱等方式及時對頂板進(jìn)行支護(hù)，以保證頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.4 煤礦采掘工作面巷道頂板管理措施

在煤礦采掘工作面以及巷道頂板的安全管理工作中要堅持預(yù)防為主的管理原則，并合理選擇合理的支護(hù)方式，從而確保采掘工作的安全。

(1)在煤礦掘進(jìn)巷道的支護(hù)作業(yè)中，所使用的鋼性支架應(yīng)盡量選擇具有可調(diào)節(jié)功能的裝置或者卡環(huán)式裝置。其中拱形卡栓式金屬支架由于能夠有效提高對頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其支護(hù)效果較好，因此得到了廣泛的應(yīng)用。如果采用的是錨噴支護(hù)方式時，則應(yīng)盡量采取利預(yù)應(yīng)力錨桿(錨索)支護(hù)型式。

(2)煤礦掘進(jìn)施工時，在掘進(jìn)迎頭位置煤(巖)石硬度能夠滿足前探梁的使用條件時，應(yīng)盡量采取前探梁方式來進(jìn)行施工。比較常見的前探梁包括一梁三環(huán)以及吊掛式等結(jié)構(gòu)型式，而其中一梁三環(huán)式前探梁在目前的煤礦采掘?qū)嵺`中更是得到了比較廣泛的應(yīng)用。

(3)在頂板管理中應(yīng)結(jié)合巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、頂板巖層特點以及錨桿長度等因素準(zhǔn)確測定其松動范圍，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇的合理性。當(dāng)煤礦采掘巷道頂板主要為泥炭質(zhì)頁巖時，其松動范圍一般在1.2m到2m之間。當(dāng)采掘巷道頂板主要為泥巖時，其松動圈一般在相距掘進(jìn)頭約30m處，且其范圍通常在0.5m到1.2m之間。而當(dāng)煤礦采掘巷道頂板主要為石灰?guī)r時，其松動圈則一般在與其巷道相距70m處，且松動范圍大多在0.4m左右[5]。此外，還應(yīng)將錨桿固力控制在60kN到90kN之間。

(4)在采掘工作面頂板管理中應(yīng)積極采用小鉆頭、小藥卷以及小錨桿技術(shù)的三小支護(hù)技術(shù)，特別是在應(yīng)用了錨網(wǎng)和錨梯形鋼筋梁等材料后，其支護(hù)效果能夠得到進(jìn)一步的提高。此外，光爆錨噴技術(shù)也是頂板支護(hù)中的一種有效支護(hù)方式，能夠有效提高頂板支護(hù)的完整性和穩(wěn)固性。

(5)在采煤作業(yè)中，按照回采礦壓變化，可以采取沿空送巷設(shè)置煤柱等方式來提高頂板的穩(wěn)定性。一般來說，采掘工作面在壓力降低區(qū)兩側(cè)的承壓范圍大約在0到7m之間，而在壓力升高區(qū)的影響范圍則在7m到30m之間，所以應(yīng)將沿空送巷的設(shè)置范圍控制在7m以內(nèi)。此外也可以根據(jù)實際條件來對兩側(cè)設(shè)置范圍進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并將護(hù)巷煤柱控制在30m左右。

3 結(jié)語

頂板管理工作是煤礦安全生產(chǎn)管理工作中的重點內(nèi)容之一，其對于保證煤礦的安全開采以及作業(yè)人員的人身安全都具有十分重要的意義。所以煤礦企業(yè)要建立完善的頂板管理機制，并積極應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備對巷道頂板進(jìn)行有效的防護(hù)，以確保頂板的穩(wěn)定安全，為煤礦采掘活動的順利實施創(chuàng)造有利條件，從而促進(jìn)煤礦采掘作業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)效率的提高，以滿足我國國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展對煤炭資源的需求。