新疆煤礦頂板事故現(xiàn)狀及控制對策研究

王撈撈，陳俊智，張偉光

（1.新疆工程學院礦業(yè)工程與地質學院，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

煤炭資源是我國經濟社會發(fā)展的基礎能源和重要原料。近年來，煤炭在我國能源消費結構中占比約60%[1-2]。隨著我國東部煤炭資源逐漸枯竭，中部開發(fā)規(guī)模接近極限，國家提出“壓縮東部、限制中部和東北、優(yōu)化西部”的總體開發(fā)布局[3]，西部煤炭迎來發(fā)展機遇。國家大力倡導建設美麗中國，要求京津冀、長三角、珠三角降低煤炭消費總量，為“疆電外送”帶來發(fā)展空間。新疆是我國第十四個大型煤炭基地，國家煤炭開發(fā)布局及新增消費需求加速西移為新疆煤炭工業(yè)發(fā)展提供了重要支撐[4]。新疆煤系地層多以白堊、侏羅系為主，如伊犁一礦、伊犁四礦、哈密大南湖礦區(qū)等。由于這類地層成巖年代、成巖環(huán)境、沉積過程的特殊性，煤層頂板、底板多以泥巖、頁巖、泥質砂巖等弱膠結巖石為主，其物理力學特性與東部地區(qū)石炭、二疊系巖石迥異（圖1），具強度低、膠結性差、易風化、對擾動敏感、遇水易泥化和崩解等特點。

圖1 SEM下泥質弱膠結巖石微觀結構Fig.1 Microstructure of argillaceous weakly cemented rock under SEM

如哈密能源有限公司大南湖五號礦井1802 運輸順槽頂板巖體膠結性差、強度低，含有大量高嶺石、蒙脫石、伊利石等吸水性強且易風化的黏土礦物，吸水后具較強膨脹性，為典型泥質弱膠結巖層。巷道開挖過程中，泥質弱膠結頂板受工程擾動產生大量裂隙，為頂板水流動提供了通道，在水的作用下巖層膠結程度降低，顆粒間離散程度提高，導致頂板錨桿錨固性能變差，頂板失穩(wěn)冒落（圖2）。

圖2 1802運輸順槽冒頂情況Fig.2 1802 Roof fall along the transport channel

在實踐基礎上，研究技術人員積累了豐富經驗，對我國煤礦頂板事故特點、分類及防治技術進行了總結[5-7]，但針對弱膠結巖層下的頂板事故問題涉及較少。為解決弱膠結頂板及頂板滴淋水造成的巖體膠結性降低問題，孫利輝等研究了我國礦區(qū)弱膠結地層地域分布[8]，選取典型礦井巖石進行物理力學性能測試，得到西部區(qū)域巖石特點；馬軍前等研究弱膠結地層下采動覆巖活動規(guī)律[9]，分析了開采擾動弱膠結巖石隔水性能演變；范育青和王渭明等針對弱膠結軟巖的復雜地質條件[10-11]，分析弱膠結軟巖的巷道圍巖應力與位移分布，揭示弱膠結軟巖巷道圍巖變形破壞失穩(wěn)機理；王慶等將定向鉆孔技術應用到巷道頂板的疏放水中并取得良好效果[12]，減少了頂板淋水帶來的巖體膠結性差和強度低的問題；劉國慶等針對軟弱頂板巷道掘進速度慢及冒頂問題[13]，提出巷道快速掘進支護技術，通過優(yōu)化施工工序及支護方案，將圍巖的形變量控制在一定區(qū)間內，使頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。為進一步解決軟弱泥巖頂板開切眼的支護問題，楊涌等提出“高強錨桿支護＋大直徑錨索支護”頂板控制技術[14]，現(xiàn)場實踐中可有效控制軟弱泥巖頂板圍巖變形破壞，確保巷道頂板穩(wěn)定。

以上研究成果，主要是對軟弱巖層巷道頂板問題及工作面頂板事故的歸納總結。針對新疆地區(qū)特殊井下頂?shù)装鍡l件及地表脆弱生態(tài)方面研究較少。因此，探究新疆地區(qū)條件下的頂板事故問題，提出合適的防治對策顯得尤為重要。

1 新疆近10年煤礦事故統(tǒng)計

本文對2010—2021 年間新疆煤礦事故及傷亡人數(shù)進行統(tǒng)計分析，頂板事故占據(jù)事故發(fā)生比率最大，其中頂板事故7 起，多為壓垮型和漏垮型，即沖擊地壓造成的頂板大面積垮落與頂板弱膠結巖層淋水崩解漏冒，占煤礦事故的43.75%，造成人員傷亡多達71 人，占總傷亡人數(shù)的48.97%，占比達到傷亡人數(shù)的一半，一定程度上反映出當前頂板管理存在較大問題。近10 年新疆煤礦事故數(shù)量及死亡人數(shù)統(tǒng)計見圖3。

圖3 近10年新疆井工煤礦事故數(shù)量及傷亡人數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistics of the number of accidents and casualties in Xinjiang's coal mines in the past 10 years

近年來，新疆煤礦事故發(fā)生主要集中在頂板和瓦斯方面，造成人員傷亡最多。從近10年新疆井工煤礦頂板事故對比可知（圖4），2010年以來，頂板造成傷亡人數(shù)始終無明顯下降趨勢，且2014年傷亡人數(shù)達最大峰值58 人。之后的4 年，頂板事故和傷亡人數(shù)明顯下降，側面說明頂板問題在一定程度上得到解決，煤礦頂板管理和技術水平有顯著提高。

圖4 近10年新疆井工煤礦頂板事故對比Fig.4 Comparison of roof accidents in Xinjiang underground coal mines in recent 10 years

2 頂板穩(wěn)定性分析

2.1 頂板巖層失穩(wěn)破壞分析

將頂板巖層看成兩端固定的梁進行受力分析，巖層通常發(fā)生冒落現(xiàn)象，主要因頂板發(fā)生剪切破壞，巷道頂板產生最大剪應力的位置均位于巷道兩端。由Mohr-Coulomb 準則可知，剪切面與最大主應力的作用線呈夾角。據(jù)上述巖層破壞特征，建立剪切破壞巖層穩(wěn)定性分析模型（圖5），據(jù)極限平衡條件，則：

圖5 巖層穩(wěn)定性分析模型Fig.5 Rock stratum stability analysis model

由于F=Ntanφ0

式中：φ0——為剪切面內摩擦角。

將式F=Ntanφ0代入式（2）中，得

從式（5）中看出，巖層發(fā)生剪切破壞主要受巖層自重、巖層的巖石內摩擦角及巖層（塊）面間的摩擦角有關。當摩擦應力小于剪切應力，巖層將發(fā)生破壞，造成巷道發(fā)生冒頂事故。

2.2 礦井案例分析

2.2.1 采用淘汰工藝施工

頂板事故的發(fā)生與支護措施的不到位息息相關。由于支柱工作阻力低，未達到對頂板初步支撐作用，造成頂板移進量增大，出現(xiàn)工作面冒落，導致頂板事故的發(fā)生。因此，煤礦生產中應重視對頂板的支護，做好支護日常維護工作，有效控制頂板的移進量。

案例1某煤礦采煤工作面發(fā)生一起頂板事故，冒落區(qū)域為工作面全長，垮冒較嚴重區(qū)域為22～55 m（圖6），造成10 人死亡。違規(guī)使用國家禁止的采煤方法——走向長壁單體液壓支柱π型鋼梁炮采放頂煤。

圖6 工作面冒頂Fig.6 Roof fall of working face

2.2.2 違規(guī)放頂煤開采

煤層開采時，未按專家論證方案對小窯采空區(qū)全部充填膠體泥漿，然后啟封井下封閉的+615 m45#煤層綜放面，采用只推不放頂方式快速推進150 m至火區(qū)范圍以外。為逃避監(jiān)管，采煤中班進行架間打眼爆破和夜班進行放頂煤作業(yè)，放頂煤炮眼布置圖不公開，隱患排查記錄造假等多種手段隱瞞違法生產行為。

案例2某礦煤層綜放開采，由于綜放工作面上部存在小窯采空區(qū)，違規(guī)放頂煤開采導致頂板大面積懸頂，造成采空區(qū)頂板大面積冒落，同時涌出大量有毒有害氣體，造成作業(yè)人員窒息死亡。

2.2.3 支護參數(shù)不合理

增強工作面淋水對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響及此條件下“圍巖-支架”平衡關系的認識。在支架頂梁沒有明顯變形，礦壓顯現(xiàn)不明顯的情況下，忽視了淋水對巷道頂?shù)装宓能浕饔茫瑳]有及時發(fā)現(xiàn)和有效處理金屬支架初撐力不足和金屬網漏頂?shù)碾[患，導致對頂板支護強度的不足。

案例3某礦井1802 運輸順槽掘進工作面發(fā)生冒頂事故。1802 運輸順槽掘進工作面迎頭向外3～13 m段處于易冒落的頂板礫石層下部，圍巖自承能力低；11#工字鋼金屬支架支撐力不足，致頂板巖石離層；護幫頂?shù)慕饘倬W網孔過大；在挖柱窩的擾動誘因下，使3～13 m支架間形成漏頂，“圍巖-支架”力學平衡狀態(tài)被打破，在離層大塊巖石作用下支架失穩(wěn)，頂梁脫落，形成漏垮型冒頂（圖7）。

圖7 1802運輸順槽冒頂Fig.7 1802 roof fall along the transport channel

通過以上案例分析，打破了巖層自重與巖體摩擦力之間的平衡，為保持巷道穩(wěn)定性，后期需采用支護手段維持兩者間的平衡，達到減少巷道及工作面冒頂事故的目的。

3 頂板事故原因

3.1 自然因素

新疆煤層埋深普遍較淺，煤系地層多以侏羅系為主，如準東煤田、準南煤田、和什托洛蓋煤田、哈密煤田、伊犁煤田等。該類地層成巖年代、環(huán)境及沉積過程較特殊，煤層頂?shù)装宥嘁阅鄮r、頁巖、泥質砂巖等弱膠結巖石為主，具強度低、膠結性差、易風化、對擾動敏感、遇水易泥化和崩解等特點，造成頂板更難控制。新疆地處亞歐大陸腹地，位于中國西北地區(qū)，為典型溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，干旱少雨，干旱的氣候條件造成該地區(qū)地表生態(tài)非常脆弱。新疆地區(qū)煤層普遍較厚，隨煤層厚度加大，巷道高度及割煤高度隨之加大，煤壁片幫誘發(fā)的頂板事故增多。采用綜采放頂煤的采煤方法，開采強度較大，進行井下采煤時對地表脆弱的生態(tài)造成嚴重破壞。

3.2 技術因素

一方面是技術人才匱乏，近年來內地相關專業(yè)技術人員來西北地區(qū)發(fā)展較少，先進的頂板管理方法及支護方法在新疆未及時推廣應用；另一方面疆內礦井與內地高校及相關的煤礦研究所等科研單位合作較少，未能及時了解和更新一些應用于煤礦的新技術。針對以上問題，一是引進內地高校該專業(yè)優(yōu)秀畢業(yè)生，提供好的待遇吸引他們來祖國西北發(fā)展；二是加強與內地高校的合作，提高新技術對礦井的應用，通過校企合作，如，企業(yè)為高校學生提供實習機會，吸引他們選擇來企業(yè)工作；三是提高礦井技術人員專業(yè)素養(yǎng)，邀請內地高校專家來疆開展煤礦知識講座培訓，不斷提升煤礦技術人員專業(yè)水平，改善新疆技術人才匱乏現(xiàn)狀。

3.3 其他因素

經濟方面，新疆煤炭價格與內地相比普遍較低，在滿足疆內用煤基礎上，還通過火力發(fā)電方式進行西電東輸，整體需求量較大，造成疆內一些礦井不斷增大煤炭產出量，帶來一系列生產安全問題，頂板事故問題頻發(fā)，傷亡人數(shù)居高不下，嚴重影響礦井安全高效開采；頂板管理方面，頂板事故的發(fā)生往往存在管理不到位，井下作業(yè)人員未嚴格按設計要求施工或施工質量差，及監(jiān)測存在漏洞等引發(fā)頂板事故。因此，加強煤礦頂板管理工作迫在眉睫，應重視技術人員培訓，完善監(jiān)測與監(jiān)督機制，督促作業(yè)人員嚴格按技術規(guī)范和標準要求設計施工，抓好采掘工程質量關。

4 頂板控制對策

4.1 頂板事故治理緊迫性

新疆地區(qū)處于干旱-半干旱區(qū)，地表多為沙漠-戈壁灘覆蓋的生態(tài)脆弱區(qū)，水資源匱乏，地表植被稀少，煤層埋深較淺且上覆基巖偏薄，易受采動影響造成地表生態(tài)水的破壞及生態(tài)環(huán)境的損壞，嚴重制約煤炭資源安全高效開采。研究表明，減小對地表脆弱生態(tài)的采動影響，需保持隔水巖層的完整，避免地表生態(tài)水位下降；加強頂板控制管理，減少頂板事故發(fā)生。

4.2 頂板事故有效防控對策

4.2.1 優(yōu)化開采設計

煤層的賦存條件、地質構造及支護技術對頂板事故的發(fā)生起重要作用。頂板事故發(fā)生區(qū)域往往是地質構造區(qū)及支護措施的失效，因此，需深入了解采掘工作面的地質條件，通過優(yōu)化開采方案設計，避免動靜壓力的疊加和工作面應力的集中，提前消除頂板發(fā)生災害的條件，確定工作面采寬、采高和巷道的合理支護方式及支護強度。

4.2.2 提高支護強度

加強工作面支架阻力監(jiān)測，掌握工作面來壓步距及來壓持續(xù)時間，合理調整支架支護阻力，使其適應頂板來壓，避免因支護阻力不足導致頂板下沉及工作面壓架事故。對弱膠結巖性下的巷道支護難題，通過加長錨桿錨固長度及增補錨索數(shù)量提高巷道的支護強度，后期使用離層儀監(jiān)測頂板的離層狀況，及時提高錨桿及錨索的預緊力，減少巷道頂板的離層冒落幾率。

4.2.3 實時監(jiān)測預警

設立監(jiān)測站點對巷道頂板危險區(qū)域進行實時監(jiān)測，主要對圍巖變形、頂板離層及支護體受力狀況進行監(jiān)測。設定預警閾值，當位移及應力增速達到閾值時會觸發(fā)報警。對工作面頂板預警，通過監(jiān)測支架工作阻力，分析初撐力和來壓步距，統(tǒng)計安全閥開啟頻率，時刻關注支架工作狀態(tài)，防止出現(xiàn)工作面片幫冒頂、壓架及倒架事故的發(fā)生。對巷道頂板預警，通過監(jiān)測錨桿錨索受力、頂板離層量和兩幫位移量等，確定巷道監(jiān)測區(qū)域應力集中狀況，據(jù)頂板離層及兩幫允許變形的極限值，設定預警閾值，及時對可能發(fā)生的頂板事故進行預警。

4.2.4 及時解危處置

通過對頂板危險區(qū)域的監(jiān)測與預警，應及時采取措施。如，對支架初撐力低引發(fā)的片幫冒頂，必須提高支架初撐力；對安全閥時常開啟，需提高支架支護的強度，加強推進速度；對較堅硬的頂板，需對頂板進行弱化處理，減小來壓步距；對破碎頂板、構造區(qū)域，需提前對頂板進行加固；對沖擊地壓巷道，不僅要對危險區(qū)域進行卸壓，還需對巷道加強支護，同時做好個人防護，避免飛石傷人。

總之，減少頂板事故的發(fā)生，需重視開采設計、加強井下管理、落實基層施工質量、提高綜合治理能力，做到“五個必須”：必須圍繞理論和技術兩個方面展開實踐研究；必須從采掘接替順序上下功夫，從源頭上避開應力集中；必須采取避讓優(yōu)先、卸支同步的綜合治理方法；必須從實際條件出發(fā)，采取適宜有效的治理措施；必須強化現(xiàn)場管理，保證施工質量。

5 結論

（1）據(jù)近10 年新疆煤礦事故及傷亡人數(shù)統(tǒng)計分析，頂板事故最頻發(fā)，多為壓垮型與漏垮型冒頂，占煤礦總事故的43.75%，且人員傷亡率居高不下。需進一步加強頂板支護方面的投入及現(xiàn)場施工質量的管控。

（2）對巷道頂板巖層失穩(wěn)破壞進行分析，發(fā)現(xiàn)巷道頂板巖層的冒落除受巖石自身性質之外，還與巖層自重和巖層面間的摩擦角有關。新疆礦區(qū)多存在弱膠結巖層，遇水易軟化崩解，降低了頂板巖層間的摩擦應力。當摩擦應力小于剪切應力時，巖層易發(fā)生破壞失穩(wěn)造成巷道冒頂。

（3）從新疆自然條件、技術發(fā)展和施工管理等方面分析頂板事故多發(fā)原因。對新疆煤層開采過程中頂板事故頻發(fā)的難題，提出開采前期優(yōu)化方案設計、開采中期提高支護強度和開采后期實時監(jiān)測預警與及時解危等措施，為礦井頂板治理提供參考。