苗磊

山東能源新礦集團(tuán)新巨龍能源有限責(zé)任公司 山東菏澤 274918

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，各行各業(yè)發(fā)展都受到嚴(yán)密監(jiān)督，尤其是在安全性方面。在煤礦施工過(guò)程中，由于地下開(kāi)采十分復(fù)雜，再加上其他方面因素影響與制約，很容易發(fā)生頂板事故，相對(duì)于煤礦瓦斯爆炸、透水事故，頂板事故的死亡人數(shù)較少，但發(fā)生頻率高、總量大，成為煤礦開(kāi)采備受關(guān)注的事故類型，且頂板事故控制難度大、點(diǎn)多面廣，很難有效方法，必須引起相應(yīng)重視。因此，聯(lián)系實(shí)際分析對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)煤礦頂板災(zāi)害的防治與監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)是十分必要的。

1 煤礦頂板災(zāi)害的主要類型

1.1 工作面頂板災(zāi)害

目前，煤礦機(jī)械化開(kāi)采在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)得到大面積應(yīng)用-，頂板災(zāi)害事故有所減少。然而，對(duì)于一些復(fù)合頂板、松軟煤層、淺埋煤層、堅(jiān)硬頂板等，雖然也會(huì)運(yùn)用綜合機(jī)械化設(shè)備來(lái)完成開(kāi)采，但頂板災(zāi)害事故仍時(shí)有發(fā)生。從災(zāi)害發(fā)生的實(shí)際情況來(lái)看，大致可以分為六種主要類型：①工作面煤壁處冒頂，煤壁松軟、割煤高度過(guò)大、支架空頂距大等，都是災(zāi)害發(fā)生的主要原因；②工作面出口冒頂，主要是由于盈利集中度高、設(shè)備較多，導(dǎo)致巷道頂板在超前支撐壓力的作用下出現(xiàn)被破壞的情況；③地質(zhì)構(gòu)造區(qū)局部冒頂，在這一區(qū)域內(nèi)煤巖體容易破碎，當(dāng)工作面穿過(guò)構(gòu)造區(qū)時(shí)，破碎的煤巖會(huì)在構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力的作用下發(fā)生冒頂；④復(fù)合頂板推垮型冒頂，復(fù)合頂板的構(gòu)成較為復(fù)雜，由不同巖性巖層組成，而巖層之間又存在弱面，中間還會(huì)夾帶煤線、軟弱巖層，容易出現(xiàn)離層下沉的情況，當(dāng)下沉數(shù)量達(dá)到一定程度以后，就會(huì)出現(xiàn)冒落、斷裂，當(dāng)煤層形成的傾斜角過(guò)大時(shí)，還有可能會(huì)引起大面積漏頂，支護(hù)體系也會(huì)隨之失效，引起較為嚴(yán)重的災(zāi)害事故；⑤壓垮型冒頂，工作面推進(jìn)方向上存在一些賣身錢、基層薄的平行構(gòu)造，當(dāng)支護(hù)面強(qiáng)度無(wú)法承受時(shí)，就會(huì)被壓垮，形成冒頂；⑥大面積冒頂，在頂板無(wú)法承受覆巖層與自身質(zhì)量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大面積斷裂垮落的情況，采空區(qū)域內(nèi)的空氣、瓦斯會(huì)被重力壓出，產(chǎn)生較大的沖擊力，雖然從性質(zhì)上來(lái)看屬于頂板災(zāi)害，但是很有可能會(huì)誘發(fā)瓦斯事故，具有較大的危險(xiǎn)性[1]。

1.2 巷道頂板災(zāi)害

巷道位置也是頂板災(zāi)害發(fā)生的主要區(qū)域，其中有三個(gè)部位最為容易發(fā)生事故。首先，掘進(jìn)工作面，在工作面掘進(jìn)破煤巖以后，頂部煤巖層會(huì)失去控制，并轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，發(fā)生泄壓破壞，若是沒(méi)有及時(shí)支護(hù)，或者支護(hù)強(qiáng)度不夠，就會(huì)發(fā)生冒頂。其次，巷道交岔處，由于交岔點(diǎn)位置存在較大斷面，巖層較為松動(dòng)且范圍廣，產(chǎn)生集中應(yīng)力，再加上這一位置支護(hù)十分復(fù)雜，對(duì)穩(wěn)定性、強(qiáng)度等都有較高要求，容易受到人為、支護(hù)體系質(zhì)量等因素影響產(chǎn)生冒頂。最后，構(gòu)造區(qū)巷道頂板，當(dāng)其出現(xiàn)破碎或者釋放構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生意外下落事故，在煤礦開(kāi)采、掘進(jìn)時(shí)，施工人員很容易遇到一些不明構(gòu)造，在沒(méi)有提前采取有效措施進(jìn)行加固的情況下，就會(huì)發(fā)生這一情況，造成一定的人員傷亡情況[2]。

2 煤礦頂板災(zāi)害的具體成因

煤炭是社會(huì)發(fā)展所需要應(yīng)用到的主要資源，需求量較大，如何在保證安全性的前提下，提高開(kāi)采效率，也成為現(xiàn)下煤炭企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。煤礦頂板災(zāi)害，是發(fā)生較為頻繁的災(zāi)害事故，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)、人員生命安全都會(huì)造成嚴(yán)重威脅，主要是由以下幾點(diǎn)原因所引起：①現(xiàn)下煤礦作業(yè)開(kāi)采難度大，且工作量、開(kāi)采規(guī)模都呈現(xiàn)不斷生生的趨勢(shì)，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成較大影響，覆蓋層承重被嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致巷道、工作面發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，甚至出現(xiàn)斷裂，進(jìn)而引起頂板災(zāi)害；②在采掘工作面，如碎石破碎帶周圍的巷道挖掘、工作面，較為容易出現(xiàn)冒頂事故，若是支護(hù)作業(yè)不到位，錨桿長(zhǎng)度、鋼網(wǎng)強(qiáng)度、錨噴厚度等，均無(wú)法達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，就無(wú)法起到較好的支護(hù)作用，難以創(chuàng)造安全的工作環(huán)境；③若是在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，沒(méi)有動(dòng)態(tài)掌握周期來(lái)壓規(guī)律，就盲目進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)，就會(huì)對(duì)礦井本身造成較大的負(fù)面影響，當(dāng)支架難以支撐巖體、地層重量時(shí)，就會(huì)引起頂板災(zāi)害事故；④煤礦開(kāi)采本身是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，且開(kāi)采具有一定的計(jì)劃性，當(dāng)出現(xiàn)開(kāi)采挖掘滯后、未按照實(shí)現(xiàn)計(jì)劃進(jìn)度完成開(kāi)采作業(yè)的情況，工作面上方的頂板懸頂時(shí)間就會(huì)明顯增加，工作面所需要承受的壓力與阻力也就相應(yīng)提升，支撐力與頂板壓力若是無(wú)法均衡，就有可能出現(xiàn)頂板下沉變形、破壞等情況；⑤任何開(kāi)采作業(yè)都是由人來(lái)完成的，考慮到礦井下開(kāi)采的特殊性，對(duì)開(kāi)采技術(shù)要求也較為嚴(yán)格，這也就使得人為操作因素，成為頂板災(zāi)害的一個(gè)重要誘因，瑞思想意識(shí)不足、未按照要求進(jìn)行操作、技術(shù)應(yīng)用不恰當(dāng)?shù)?，都?huì)造成頂板災(zāi)害[4]。

3 監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)在煤礦頂板災(zāi)害防治中的應(yīng)用

煤礦頂板災(zāi)害受自然環(huán)境、人為因素、開(kāi)采作業(yè)實(shí)際情況等影響，按照相關(guān)要求，所有的開(kāi)采作業(yè)活動(dòng)，都必須在指定煤層賦存條件下與開(kāi)采技術(shù)的支持下才能進(jìn)行，但頂板災(zāi)害仍然難以有效控制。這是由于開(kāi)采過(guò)程本身不可控，破壞了原本地下較為穩(wěn)定的地質(zhì)條件，這些變化是無(wú)法進(jìn)行提前預(yù)測(cè)的，而原本的支護(hù)體系、預(yù)防措施也難以發(fā)揮作用[5]。因此，還需要采取多種技術(shù)手段，對(duì)煤礦地質(zhì)情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整防范措施，提高煤礦開(kāi)采安全性。目前，鉆探、物探、巷探均是較為有效的地質(zhì)情況勘探方式，一些大型地質(zhì)變化很容易被發(fā)現(xiàn)，但一些細(xì)小的地質(zhì)異常情況，很難通過(guò)常規(guī)的探測(cè)手段來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于圍巖、支護(hù)體應(yīng)力、位移變化等的監(jiān)測(cè)，主要是利用頂板礦壓監(jiān)測(cè)方法，具有參數(shù)多、精度高、在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)情況下，監(jiān)測(cè)主要是利用通訊技術(shù)，沒(méi)有將關(guān)于礦壓與頂板活動(dòng)規(guī)律研究的相關(guān)知識(shí)應(yīng)用其中，導(dǎo)致這一監(jiān)測(cè)本身缺少較強(qiáng)的針對(duì)性，軟件分析能力與礦壓理論不相符，主要功能是顯示、存儲(chǔ)、生成曲線圖等，難以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分析，也無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[6]。為了較好的進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)，開(kāi)發(fā)出了一款KJ21頂板與沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要就是針對(duì)裁決工作面頂板致災(zāi)因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，在實(shí)際應(yīng)用中，主要是依靠工壓力傳感器，對(duì)液壓支架工作阻力變化情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，然后對(duì)支架狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)一步預(yù)測(cè)頂板來(lái)壓，防止出現(xiàn)工作面壓架切頂事故，巷道為止，會(huì)利用傳感器測(cè)量煤巖體應(yīng)力、錨桿錨索荷載變化情況等，位移傳感器則是負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)頂板下沉量、離層量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)用了智能化采集模式、礦壓數(shù)據(jù)智能分析模型，充分融合了專業(yè)研究領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，使得數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警更為精準(zhǔn)，為防范措施制定提供較為詳細(xì)的參考。

4 煤礦頂板災(zāi)害的有效防治措施

基于上述分析，可以了解到頂板災(zāi)害具有較大的危險(xiǎn)性，類型較多且成因復(fù)雜，在引入監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需采取有效措施進(jìn)行有效防治，具體如下：

4.1 科學(xué)評(píng)價(jià)并預(yù)警頂板危險(xiǎn)性

為提高煤礦開(kāi)采效率與安全性，煤礦企業(yè)在開(kāi)始作業(yè)以前，必須對(duì)礦井的實(shí)際情況進(jìn)行勘察、評(píng)估，對(duì)煤層地質(zhì)有著充分了解，評(píng)估安全性，確定那些位置為主要危險(xiǎn)區(qū)域，制定針對(duì)性預(yù)防措施。與此同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)充分利用監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)，對(duì)工作區(qū)、巷道區(qū)等的頂板地質(zhì)變化情況與各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)更新的及時(shí)性，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蛘甙l(fā)生較大變化，就會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并調(diào)整計(jì)劃方案，確保人員安全[7]。比如2011年4月某礦6上105-2綜放工作面開(kāi)采初期，發(fā)生過(guò)多次大面積壓架事故，工作面無(wú)法正常生產(chǎn)。通過(guò)利用KJ21頂板與沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并作出預(yù)警，經(jīng)過(guò)分析了解到問(wèn)題原因主要是由于支架支護(hù)強(qiáng)度較低，安全閥長(zhǎng)期開(kāi)啟所引起的（如圖1），進(jìn)而引起壓架問(wèn)題，可結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)，加快工作面推進(jìn)速度，以提高支架強(qiáng)度，確保整個(gè)工作面始終處于安全工作狀態(tài)。

圖1 工作面推進(jìn)速度低時(shí)壓價(jià)過(guò)程中工作阻力變化

4.2 優(yōu)化施工方案

施工開(kāi)采方案是否科學(xué)，在一定程度上也會(huì)影響導(dǎo)頂板災(zāi)害的發(fā)生概率，因此還需要從多個(gè)層面出發(fā)進(jìn)行綜合考量，確認(rèn)最優(yōu)施工方案，較好應(yīng)對(duì)突發(fā)性地質(zhì)條件變化與支護(hù)體系失效的情況發(fā)生，減少頂板事故發(fā)生概率。在施工開(kāi)采方案制定時(shí)，應(yīng)當(dāng)以裁決工作面開(kāi)采條件、頂板安全性評(píng)估數(shù)據(jù)等作為參考，詳細(xì)分析原本施工作業(yè)方案中存在的不足，以及新數(shù)據(jù)所帶來(lái)的影響，對(duì)原本的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化[8]。隨著施工開(kāi)采的不斷推進(jìn)，頂板、地質(zhì)數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生一定變化，方案設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以防止突發(fā)性頂板災(zāi)害事故發(fā)生。比如，開(kāi)采區(qū)域布置與挖掘，應(yīng)該進(jìn)行交替調(diào)整，防止應(yīng)力過(guò)于集中與動(dòng)壓疊加的情況發(fā)生，提升支護(hù)處理的科學(xué)性與可靠性，制定較為嚴(yán)格的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警制度，一旦作出危險(xiǎn)預(yù)警，就必須對(duì)所獲取的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行分析，規(guī)避災(zāi)害隱患。

4.3 加強(qiáng)頂板災(zāi)害事故防控管理

頂板災(zāi)害事故應(yīng)當(dāng)以預(yù)防為主，在各項(xiàng)管理工作中，增加防控管理所占比重，制定清晰的開(kāi)采操作流程與相關(guān)規(guī)范，對(duì)災(zāi)害成因進(jìn)行詳細(xì)分析，盡可能避免人為因素對(duì)煤礦開(kāi)采造成影響，減少不必要的安全隱患。一方面，相關(guān)技術(shù)人員必須做好詳細(xì)的地質(zhì)勘察，同時(shí)對(duì)大塊巖石尺寸、位置進(jìn)行標(biāo)注，提前制定相關(guān)的支護(hù)管理舉措，較好應(yīng)對(duì)突發(fā)性事件；另一方面，應(yīng)該圍繞如何避免發(fā)生端頭冒頂事故發(fā)生提前做好預(yù)防措施，科學(xué)計(jì)算頂板版面承重壓力，且在頂部、尾部位置進(jìn)行煤礦開(kāi)采時(shí)，應(yīng)當(dāng)利用三角支架搭棚，進(jìn)行較好支護(hù)，最大限度上減少頂板初始的下城里與支撐力[9]。

4.4 加強(qiáng)支護(hù)體系質(zhì)量檢查

支護(hù)體系作為防止頂板災(zāi)害發(fā)生的主要構(gòu)成部分，其搭建質(zhì)量將直接關(guān)系著頂板是否穩(wěn)定。為此，應(yīng)該加強(qiáng)質(zhì)量檢查，確保支護(hù)體系的強(qiáng)度、支撐力能夠較好滿足頂板加工需要。首先，要對(duì)支護(hù)材料進(jìn)行檢查，選擇剛度較好的材料，搭建頂板支護(hù)體系，同時(shí)充分利用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與信息技術(shù)，對(duì)煤層頂板最大傾斜水平進(jìn)行測(cè)算，探索生產(chǎn)采高點(diǎn)，避免出現(xiàn)采空區(qū)域內(nèi)滑動(dòng)。其次，對(duì)錨桿、錨索、錨網(wǎng)等支護(hù)方式，應(yīng)注意質(zhì)量檢測(cè)，完善檢測(cè)機(jī)制，對(duì)不合格的材料以及應(yīng)用方式等要及時(shí)總結(jié)，并制定完善的質(zhì)量監(jiān)控舉措，定期開(kāi)展排查，借助現(xiàn)代信息技術(shù)等加強(qiáng)關(guān)聯(lián)研究和定位檢索，確保支護(hù)體系質(zhì)量[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛。煤礦開(kāi)采作為煤炭企業(yè)經(jīng)營(yíng)中的重要項(xiàng)目，由于其開(kāi)采主要在地下完成，本身具有較大難度與危險(xiǎn)性，是各類災(zāi)害事故頻繁的項(xiàng)目類型。其中，頂板災(zāi)害發(fā)生就十分頻繁，成因較為復(fù)雜，還需煤炭企業(yè)將監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)有效應(yīng)用其中，對(duì)頂板變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，然后通過(guò)科學(xué)評(píng)價(jià)并預(yù)警頂板危險(xiǎn)性、優(yōu)化施工方案、加強(qiáng)頂板災(zāi)害事故防控管理、加強(qiáng)支護(hù)體系質(zhì)量檢查等方式，較好進(jìn)行頂板災(zāi)害防治，避免為企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，最為主要的是減少人員傷亡情況，營(yíng)造安全的開(kāi)采氛圍，推動(dòng)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。