基于地質預報的煤巷頂板事故防治研究

＊李建文

（山西高平科興平泉煤業有限公司 山西 048400）

巷道作為煤礦開采中人員、設備與煤礦運輸通道，其質量安全問題關系到人身安全與生產安全等重大問題。近年來，我國煤礦開采程度、深度日益增加，煤礦內部所處地質環境也更為復雜，開采的安全問題也隨之而來。其中，巷道掘進過程中頂板事故發生層出不窮。在復雜構造斷層、圍巖地壓大、低強度和遇水膨脹引起巖層破碎等復雜地質環境的影響下，巷道頂板事故發生的比例居高不下。據統計，由巷道頂板事故引起的死亡事故比例占事故比例的40%以上，人員傷亡比例占井下事故傷亡總人數的50%以上，可見巷道頂板事故問題的棘手性和迫切程度。由此可見，對巷道頂板事故產生機理進行分析，總結事故發生原因及規律，研究事故防治措施和對策，對于遏制頂板事故發生，保障煤礦工人人身安全和開采生產安全具有重大的意義和緊迫性。

1.頂板事故起因

頂板事故主要由巷道掘進過程中帶來的礦山壓力變化引起的。國內外已有大量研究對煤巷頂板事故發生機理做了一系列深刻的研究。尤小明[1]針對大斷面煤巷頂板離層冒頂進行了系統的分析和研究；馮吉成[2]針對巷道不同區域復合頂板垮落問題，建立了巷道復合頂板巖層過梁結構力學模型，提出了頂板巖層失穩判別方法和冒頂隱患分級；李柱[3]通過對巷道冒頂前礦壓現象進行分析，得出了頂板結構失穩的主要原因，提出了調整錨索支護參數增強頂支護結構的完整性和抵抗強度的支護理念。從上述的研究得出，煤巷掘進過程中帶來的礦山壓力變化會造成頂部不同程度上的形變，若頂板的質量管理不當，很有可能在山體壓力增大的情況下出現垮落、斷裂甚至冒頂情況，存在非常大的安全隱患。

盡管頂板事故發生的原因可以歸結于礦山山體壓力，但預防工作則需要考慮圍巖、支護和人三方面因素。隨著施工工藝和支護技術的成熟，在支護方面已經比較少出現問題。再加上人們生產安全意識的提高，對煤巷頂板事故問題愈發重視，頂板事故發生的概率已經有所下降。也就是說，預防工作的三個主體中，“支護”和“人”的因素已經得到了較大改善和改進，但頂板事故占安全事故的比例仍然居高不下，一個重要的原因就是“圍巖”因素的不確定性導致的。圍巖的強度關系到頂板工程的開展，在實際施工過程中，需要根據圍巖的強度來決定頂板的材料和強度，達到安全性和經濟性上的平衡。有學者針對某煤礦具體案例指出支護煤巷安全的首要任務是有效防治巖層組合劣質型冒頂。由此可見，預防頂板事故的發生的首要問題是了解探明對應礦山山體里的圍巖地質情況，達到生產安全和經濟效益兩方面的平衡。

2.地質預報的含義、原理和技術

地質預報是一種根據現有地質資料對將要掘進工作面前方的地質變化情況進行預測的技術。地質預報的原理是通過對于掘進工作面前方的地質情況進行準確了解，清楚不良質體位置、大小、強度、含水量等關鍵信息，進行可能性分析，為后續煤巷挖鑿工作提供指導，從而盡量避開地質異常斷面，針對性強化或優化支護和頂板結構強度。

目前，地質預報技術已不再滿足于單一的地質分析預報，而是結合了地球物理探測技術來對超前區域巖體結構進行探測預報。新出現的超前地質預報技術諸如地質雷達、瞬變電磁、激發極化等預測方法賦予了其在煤巷頂板事故防治中應用的可能性。劉斌[4]應用了三維電阻率層析成像法對礦井突水模型進行實時成像檢測；李貴炳[5]通過TSP技術對隧道中的含水層、溶洞、斷層等不良質體進行了預報。這些新型的地質預報技術能夠為煤巷安全生產提供預報，形成預防為主的事故防治局面。

經歷了數十年的發展，該技術已經在隧道工程和礦山工程等領域得到了較為成熟且廣泛的應用，并且積累了較為成熟的經驗[6]。隨著煤礦企業對地質預報工作的重視，以及地質雷達、瞬變電磁、激發極化技術等技術的推廣應用，地質預報表現出良好的超前預警作用，地質預報技術的準確率已經能夠滿足煤礦企業生產的需要，為避免煤巷頂板事故提供了效途徑[7]。

3.地質預報應用

為了研究地質預報技術在煤巷頂板防治中的可行性和效益，本文選擇了某礦區進行事故分析和防治研究。通過對某礦區發生的頂板事故進行分析，針對性提出防治措施和建議，進行工程防治實踐，最后結合模擬軟件進行數值驗證。

（1）冒頂事故分析。在某礦區發生過的多次冒頂事故中，約有80%事故是由地質突變引起的。其中，某次冒頂事故發生了原錨索脫落的情況，在13m的冒頂總長中，最高位置離原板將近11m，面向迎頭方向左側冒頂嚴重。在事故后勘探發現，本次冒頂事故是由地質條件引起的，冒頂位置處于斷層界面，復雜的地質條件以及交錯的煤巖分布導致原有巖體破碎，使得頂板發生冒頂事故。

雖然地質界面斷層是導致該冒頂事故發生的直接原因，但是如果能夠通過合理準確的地質預報技術，對隱藏的不良質體進行預測預警，能夠有效防治出現的冒頂事故。因此本次事故發生的根本原因，可以歸結為典型的由于地質預報技術工作不到位引起的頂板事故。

（2）防治措施。經過對頂板事故來源和起因的分析，地質預報在煤巷頂板事故防治中的可行性分析，還有具體的冒頂事故分析，結合新型的地質預報技術，本文提出了基于超前地質預報技術的頂板事故防治方法。首先在煤巷掘進前使用新型地質預報技術對地層結構進行預測，避開不良質體；其次，如遇地質突變狀況，采取合適的預警機制并加強支護防護，形成一套集成頂板事故預報和預警防治的綜合防治體系。具體方案如下所示：

①地質資料收集。首先需要對原始的地質資料進行收集補充，對目前已有的勘探成果和宏觀預測結果進行集成，形成對煤礦開采礦體的基礎地質信息架構。其次是對地質情況進行實地勘探。原始資料由于年代久遠以及技術落后等原因，難免出現信息錯誤或者缺失的情況。最后還需及時補充迎頭地質編錄信息，這能夠直接反饋重點地段巷道圍巖巖性、構造、層理、節理、涌水等情況，便形成了較為完善的地質資料信息架構。

②預報技術應用。利用新興的物探技術或者地質雷達技術對超前不良質體進行勘探，識別斷層、含水帶、巖層邊界等不良質體結構[8]。若存在可及時調轉掘進方向或改進支護結構，建立對地質突變地段的識別與解釋準則，優化反褶積技術。此外，對于預報技術提示的不良質體區域，采用鉆孔窺視儀進行取材驗證，進一步提高地質預報的準確性[9]。

③預防設計及監測。基于超前地質預報給出的可能存在的風險及事故可能性，設計響應的應對方案和防護措施，并結合冒頂事故現狀，進行安全合理的支護鋪設，多層級的預防頂板事故發生，妥善處理將風險降至最低，將安全生產損失降至最小。

（3）地質預報系統實踐。為了預防冒頂事故的再次發生，并且檢驗超前地質預報系統的應用效果，將上述綜合防治體系實踐于某礦區的煤巷工程實踐中，對工程5條平巷進行施工指導。首先，經過已收集齊全的地質資料信息架構進行分析，標示出重點區段，然后利用地質信息編錄對平巷地質情況進行補充，經過分析確定出重點區段進行預報，如圖1所示。同時，在標示預報重點區段時應留有空間上的余量。

圖1 三維推演結果示意圖

為了使物探技術設備能夠有效發揮作用并進行不良質體預測，在煤巷掘進至300m時開始使用物探設備進行探測。當煤巷掘進至343m時，頂板圍巖破碎程度加劇，頂板壓力變大，掘進留頂困難，網兜現象明顯。據此可以推測迎頭已進入斷層影響區，因此使用地質雷達進行超前巖體探測。探測結果顯示，該處存在斷層構造，為煤巖的巖心交界面，并且與F3斷層屬于同一斷面。

而在超前探孔預報結果中，距離迎頭10.2m處存在煤轉巖斷面結構，與地質雷達中推測的結果相符合，綜合地質信息架構系統預報和地質雷達與超前探孔等物探技術測試結果，可以推斷：該處巖性為煤轉巖，由正斷層下降盤穿越至上升盤，斷層斷距為5～6m，與之前出現過的冒頂事故中的巖層情況類似。

（4）改進支護方案設計模擬。通過分析上述得到的信息，針對性的對原支護方案進行改進調整。由于正斷層的存在，巷道由斷層下降盤穿越至上升盤，導致支護壓力需求變大，而頂部的煤層變厚，容易造成頂板破碎程度加深，更容易出現冒頂事故。因此需要對原支護方案進行強度上的改進。具體方案如下：根據高預應力強力支護理論，結合現場圍巖的強度結構情況，決定加強強力錨索直徑以提高承受應力；并且增設錨索結構，加大頂板護表面積，使得上方煤層的壓力應力更好的傳導至巷道兩側，為頂板從完好到冒頂過程留有充足壓力余量。

同時對支護方案的改進效果與原方案進行模擬驗證對比。基于地質資料，利用FLAC3D數值模擬軟件，建立煤巷與巖體模型，如圖2所示。模型設置了固定邊界條件，其中水平方向上采用約束位移，數值為0；而在垂直方向上，在巖體上部的200m厚度的巖層重力作為主要考量，根據勘探的地質信息架構數據，設定巖層的平均自重為2.5kN/m3，則模型在厚度為1m的情況下上部的負載可達到12.9MPa，相當于在煤巷上方每增加1m的厚度，巖層的自重增加了12.9kN/m3。

圖2 巖體數值計算模型

經過計算，兩種支護方案的頂板位移和塑性區面積如表1所示。從數據中可以看出，原支護方案在斷層前的頂板位移為115.6mm，斷層處的頂板位移為417.3mm，經過改進后斷層處的頂板位移縮小到了120.5mm。在塑性區面積上，原支護方案在斷層前的面積為30.52m2，斷層處的面積為42.32m2，經過改進后，斷層處的塑性區面積縮小至20.11m2。為此可以得到以下結論：

表1 原支護方案與改進支護方案的模擬計算結果對比

①原先的支護方案并不能保證斷層處的強度，因此需對原方案作出改進。從其頂板位移和塑性區面積可以看出，原支護方案在遇到斷層問題時會發生較大的形變，承受不住較大的頂板巖層自身重力產生的壓力應力。如果遇到不良質體結構，繼續采用原支護方案將帶來極大的安全隱患，煤巷頂板發生冒頂的可能性大大存在。

②支護改進方案具有很好的改進預防效果。在出現質體斷層時，從頂板位移和塑性區面積的變化對比可以看出其支護效果遠遠好于原支護方案，頂板下沉量、兩幫移近量和塑性區面積分別是原支護方案的27.2%和43.3%，因此，在遇到質體斷層時，能夠提供良好的保護效果，所以當勘探出質體斷層時應該立即響應預警系統，采用該改進版的支護方案。

（5）改進支護方案效果驗證。上述通過模擬驗證了改進支護方案的有效性，為了進一步的檢驗，將該支護方案應用到施工現場中，測量實際的頂板位移數據和塑性區面積大小。在實際應用中，由于巷道從斷層上盤進入到下盤的結構，整體煤層位移較之前有所上移，因此煤巷的挖掘工作需要向上進行掘進。在距離斷層處約5m處，開始使用上述設計的改進支護方案。結果表明，使用了支護方案之后，實際測得的頂板位移數據和塑性區面積數據均與模擬預測值接近，并且施工過程中較為順利，未出現較大的安全隱患，施工期間也順利的通過該斷層地帶，保障了工程的順利進行。在一個月之后再度對采用改進支護方案的斷層處的頂板位移和塑性區面積進行測量，結果顯示并無明顯的變形現象出現，說明了在改進支護方案的作用下，煤巷頂板結構趨于穩定，得到了很好的保護效果。

4.結論

針對存在的煤礦生產安全問題，本文針對煤礦事故原因進行了分析，得到了頂板事故率較大的結論。緊接著對頂板事故產生的起因進行剖析，明晰了頂板事故的主因：對煤層結構不穩定性的預防預警措施不足。針對上述問題，本文提出了一種新的煤巷頂板事故防治體系，基于地質預報的手段，構建地質信息架構，進行不良質體的預測。并從模擬和實際驗證的角度出發，得到了一種應對不良質體的改進支護結構。所得結論如下：

（1）基于地質預報的煤巷頂板事故防治體系包括了地質資料收集，預報技術應用、預防設計及檢測三個流程。經過模擬和工程實際的驗證，表明了該地質預報防治體系具有較高的可行性及工程應用價值，同時也具有操作上的簡便性和實用性。（2）本文提出的以錨索梁為主要支護結構的改進支護方案能夠很好的提升支護強度，降低頂板位移和塑性區面積，這一點從計算機模擬和工程實際應用上都得到了驗證，證明其可以有效的控制斷層區頂板變形，防止頂板冒落。（3）本文的防治體系具有很好的應用價值和經濟指標，對比起冒險補救方案所產生的費用，本文防治體系能夠節省開支，同時降低事故風險。這對于追求安全生產和經濟效益都有著一定的積極作用。