煤礦為什么容易發(fā)生頂板事故？

◎ 甘肅靖煤能源有限公司 苗在全

煤炭作為一種能源資源，在我國一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比較大，擔(dān)負(fù)著保證國家能源和推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重任。然而，煤礦生產(chǎn)過程中存在著一些安全隱患，其中頂板事故是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要事故，頂板事故的發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)均居首位，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。根據(jù)對(duì)2003 ～2021 年間我國煤礦各類事故的不完全統(tǒng)計(jì)可知，我國煤礦頂板事故發(fā)生次數(shù)高達(dá)13237 次，占煤礦事故總起數(shù)的51.22%。

一、什么叫煤礦頂板事故

煤層頂板是指賦存在煤層之上的一定距離內(nèi)的巖層。根據(jù)頂板巖層相對(duì)煤層的位置、垮落性能、強(qiáng)度等特征的不同，從下至上將頂板劃分為偽頂、直接頂、基本頂（老頂）三個(gè)部分。對(duì)某些特定煤層來說，頂板的三個(gè)組成部分不一定發(fā)育齊全，可能會(huì)有缺失某一個(gè)或幾個(gè)組成部分的巖層。

偽頂：直接覆蓋在煤層之上的，極易隨煤炭的采出而同時(shí)垮落，隨采隨落的不穩(wěn)定巖層。偽頂厚度一般在0.3 ～0.5m 左右；

直接頂：位于偽頂或煤層（無偽頂?shù)那闆r）之上，可懸垂一定時(shí)間，有一定的穩(wěn)定性，常隨采煤工作面移架或回柱工序的完成自行垮落的巖層，直接頂厚度一般在1 ～2m；

基本頂（老頂）：位于直接頂之上或位于煤層（無偽頂和直接頂?shù)那闆r）之上的巖層，是厚而堅(jiān)硬的難垮落巖層。常在采空區(qū)上方懸垂一段時(shí)間，在采空區(qū)懸垂面積較大時(shí)才能自行垮落。

煤礦頂板事故是指在煤礦開采過程中，煤層頂板發(fā)生坍塌、冒落或失穩(wěn)等意外情況，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。這種事故在煤礦行業(yè)中屬于常見的安全隱患，其發(fā)生原因復(fù)雜多樣。

二、煤礦頂板事故發(fā)生的過程

（一）頂板受力狀況

考慮到煤層頂板都是在頂板巖層堅(jiān)硬較厚條件下，頂板受力特征區(qū)別于一般的長梁結(jié)構(gòu)，且頂板在初次斷裂的位置會(huì)受到相鄰巖塊的擠壓作用，建立的深梁結(jié)構(gòu)破斷過程中頂板破斷的受力特征模型如圖1 所示。

圖1 頂板初次破斷特征

隨著開采的進(jìn)行，頂板逐漸形成四周固支的懸板結(jié)構(gòu)，并且在頂板初次垮落前，懸頂面積隨開采時(shí)間的增加而增加。從便于理解的角度來考慮，對(duì)圖1 中直接頂垮落部分的懸板簡(jiǎn)化成兩邊固支的梁結(jié)構(gòu)模型，如圖2 所示。該結(jié)構(gòu)中，頂板結(jié)構(gòu)只受到水平方向和垂直方向上的地應(yīng)力。由固支梁受力特性可知，頂板中間下邊界應(yīng)力將達(dá)到巖層抗拉強(qiáng)度極限，考慮到一般長梁結(jié)構(gòu)的斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)處于梁長度尺寸的中間靠下邊界位置。因此，可知在固支梁的中部位置下邊界受到拉力，是一處易發(fā)生頂板事故的危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖2 頂板兩端固支受力簡(jiǎn)化模型

初次來壓后，頂板垮落。隨著開采的進(jìn)行，逐漸形成一端自由另三端固支的懸板結(jié)構(gòu)。懸板的懸頂面積隨開采時(shí)間的增加而增加。從便于理解的角度來考慮，可將一端自由另三端固支的懸板簡(jiǎn)化成一端自由、一端固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)模型，如圖3 所示。該結(jié)構(gòu)中，頂板結(jié)構(gòu)受到垂直方向上的地應(yīng)力。由懸臂梁的受力特性可知，在梁的右側(cè)固支端處彎矩值和剪力值均最大，梁固支端上側(cè)受到拉力作用，該位置為一處易發(fā)生頂板事故的危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖3 頂板一端固支受力簡(jiǎn)化模型

（二）頂板破壞機(jī)理

根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)分析，采場(chǎng)頂板巖石會(huì)受到不同方向上的力，將巖石受到的力分為正應(yīng)力和剪應(yīng)力兩種力。采場(chǎng)頂板巖石主應(yīng)力的大小和方向，取決于正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小。考慮到巖石的不抗拉性，如果主應(yīng)力為拉力，巖石是以該主應(yīng)力為主的拉破壞，方向垂直于主應(yīng)力。對(duì)于松散的巖土材料，抗剪強(qiáng)度較弱，剪應(yīng)力可控制松散頂板巖石的破壞特性。因此，在頂板巖層結(jié)構(gòu)中，依據(jù)應(yīng)力狀態(tài)和巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度，可在不同部位沿某一方向發(fā)生破裂。

初次來壓前，在梁結(jié)構(gòu)的中部下側(cè)，拉應(yīng)力為最大值，方向與梁的中軸垂直；由于巖石的不抗拉性，故在固支的梁結(jié)構(gòu)中部破裂面垂直于中軸。在靠近梁結(jié)構(gòu)的兩端上側(cè)，由拉、剪應(yīng)力組合形成復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，其等效的主應(yīng)力狀態(tài)與中軸有一夾角，使得頂板巖石在拉應(yīng)力作用下破裂。頂板巖石破裂前，由于有水平地應(yīng)力的存在，在一定程度上抵消了上覆巖層對(duì)頂板巖石作用引起的拉應(yīng)力的破裂效應(yīng)，使初次來壓步距加大。

（三）工作面推進(jìn)中頂板應(yīng)力的變化過程

A-原始應(yīng)力區(qū)；B-應(yīng)力增高區(qū)；C-應(yīng)力降低區(qū)；D-應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)；Ⅰ-工作面前方應(yīng)力變化區(qū)；Ⅱ-工作面控頂區(qū)；Ⅲ-冒落巖石松散區(qū)；Ⅳ-冒落巖石逐漸壓縮區(qū)；Ⅴ-冒落巖石壓實(shí)區(qū)。

沿工作面推進(jìn)方向，采空區(qū)上部巖層的破壞過程大致可分為三個(gè)階段，具體變化如圖4 所示。冒落帶巖層處于垮落和松散階段，上覆巖層大部分呈懸垂?fàn)顟B(tài)（區(qū)域Ⅲ），懸垂巖層的重量要轉(zhuǎn)移到工作面前方和采空區(qū)兩側(cè)的煤體和煤柱上。此時(shí)在采空區(qū)為低于原始應(yīng)力的降壓區(qū)（區(qū)域C），在工作面前方（區(qū)域B）和采空區(qū)兩側(cè)的煤體上，出現(xiàn)了比原始應(yīng)力大得多的集中應(yīng)力，常稱為支承壓力。隨著回采工作面的推進(jìn)，冒落帶巖石逐步被壓縮（區(qū)域Ⅳ），采空區(qū)上覆巖層的重量，逐漸作用到底板上，煤柱的支承壓力也漸漸降低。在遠(yuǎn)離回采工作面的后方，隨著已采區(qū)上覆巖層的沉降，冒落帶矸石的壓實(shí)（區(qū)域Ⅴ），冒落帶和底板巖層的壓力恢復(fù)到接近原始應(yīng)力（區(qū)域D），采空區(qū)兩側(cè)煤柱的壓力也趨向穩(wěn)定。

圖4 工作面前方頂板應(yīng)力分布

三、發(fā)生頂板事故的原因

堅(jiān)硬頂板難以垮落導(dǎo)致的回采期間來壓步距大從而引發(fā)的沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害是較大頂板事故的誘因之一。堅(jiān)硬頂板指的是強(qiáng)度高、裂隙不發(fā)育、整體性好的煤層頂板巖層。工作面上覆堅(jiān)硬頂板一般大范圍、長時(shí)間的懸垂容易突然發(fā)生垮落，一旦突然發(fā)生垮落會(huì)造成人員傷亡以及設(shè)備損壞，引起較大的頂板事故。

在煤層頂板中，對(duì)工作面影響最大的地質(zhì)因素是直接頂，直接頂?shù)姆€(wěn)定性與煤層及頂板的節(jié)理裂隙發(fā)育程度有關(guān)。工作面冒頂是煤壁片幫的一個(gè)繼續(xù)現(xiàn)象，工作面冒頂后將會(huì)使頂煤破斷不連續(xù)，當(dāng)支架受力不均勻時(shí)，支架將發(fā)生歪倒現(xiàn)象，導(dǎo)致頂煤失去控制，甚至發(fā)生頂板事故。工作面開采后，周期來壓、地質(zhì)構(gòu)造、采高大小、液壓系統(tǒng)破壞等都會(huì)導(dǎo)致頂板冒頂。由圖5 所示，當(dāng)老頂發(fā)生周期性垮落，已破斷的巖石回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。此時(shí)，工作面頂板將發(fā)生急劇下沉，頂煤也會(huì)因此發(fā)生變形破斷。在頂煤中煤壁及斷面處形成的拉斷區(qū)及塑性變形區(qū)因老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角不同而導(dǎo)致破壞的情況不一樣，當(dāng)相同的回轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的破斷區(qū)連接起來時(shí)，也就產(chǎn)生了頂板回轉(zhuǎn)對(duì)頂煤的剪切破壞帶，此位置與老頂?shù)臄嗔盐恢糜嘘P(guān)，煤壁是否能片冒下來取決于壓縮破壞區(qū)里的煤體塊度和排列狀態(tài)。

圖5 老頂回轉(zhuǎn)對(duì)工作面圍巖結(jié)構(gòu)的影響

處在塑性破壞區(qū)里的煤體在支承壓力的作用下，老頂發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉使得頂煤發(fā)生位移，當(dāng)節(jié)理面與老頂回轉(zhuǎn)導(dǎo)致的剪切破壞帶方向一致時(shí)，工作面前方和上方的煤體將成破碎的塊體，此時(shí)的狀態(tài)將大大降低煤體的抗剪強(qiáng)度。這也是煤壁和端面最難控制的時(shí)期。

頂板事故的發(fā)生原因主要有支護(hù)不穩(wěn)和沖擊地壓兩種。支護(hù)不穩(wěn)主要表現(xiàn)在掘進(jìn)、回采或巷修期間，臨時(shí)支護(hù)不足，過復(fù)雜地段或構(gòu)造帶時(shí)支護(hù)強(qiáng)度不足，巷修刷擴(kuò)未采取有效支護(hù)或采取的支護(hù)強(qiáng)度不足，未嚴(yán)格執(zhí)行“敲幫問頂”工作等；沖擊地壓是近年來煤礦頂板事故的重要原因，嚴(yán)重威脅采掘工作面及巷道的頂板安全。

（一）支護(hù)不穩(wěn)

根據(jù)頂板垮落時(shí)的力學(xué)分析，將工作面頂板事故分為壓垮型冒頂、推垮型冒頂和漏冒型冒頂。具體事故原因如下：壓垮型冒頂是由于工作面內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度小于頂板壓力，引起大量壓壞而造成的冒頂事故，壓垮型冒頂只有在基本頂來壓時(shí)才會(huì)出現(xiàn)；推垮型冒頂是由于支柱初支撐力不足、抗推力不夠，在頂板巖石水平推力的作用下傾倒垮頂?shù)默F(xiàn)象，冒頂一般在初次放頂前后出現(xiàn)，大部分是無征兆的突然推垮；漏冒型冒頂是由于已破碎的頂板沒有得到有效防護(hù)，從掛網(wǎng)空隙漏出而冒落導(dǎo)致的冒頂，導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生的主要原因是煤層傾角較大，直接頂又異常破碎，工作面支護(hù)系統(tǒng)不及時(shí)或某個(gè)地點(diǎn)失效發(fā)生局部漏頂。

（二）沖擊地壓

沖擊地壓是指井巷或工作面周圍巖體，由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象，沖擊地壓事故具有破壞程度大、一次性死亡人數(shù)多的特點(diǎn)，是頂板災(zāi)害防治的重點(diǎn)。沖擊地壓現(xiàn)象的本質(zhì)是高應(yīng)力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞。

四、結(jié)語

（一）頂板的垮落與頂板所受垂直應(yīng)力有關(guān)，工作面前方的應(yīng)力分布有應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)三部分，頂板垮落發(fā)生在應(yīng)力峰值處。

（二）頂板垮落時(shí)引發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害是較大頂板事故的誘因之一。

（三）在煤層頂板中，對(duì)工作面空間影響最大的地質(zhì)因素是直接頂，直接頂?shù)姆€(wěn)定性與煤層及頂板的節(jié)理裂隙發(fā)育程度有關(guān)。

（四）頂板事故的發(fā)生原因主要有支護(hù)不穩(wěn)和沖擊地壓兩種。

（五）根據(jù)頂板垮落時(shí)的力學(xué)分析，將煤礦工作面頂板事故分為壓垮型冒頂、推垮型冒頂和漏冒型冒頂。

（六）沖擊地壓帶來的動(dòng)力災(zāi)害也是引起煤層頂板垮落的一大重要因素。