石 鵬，秦 松，帥運(yùn)林，胡品品

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

貴州地形以喀斯特地貌為主，受地質(zhì)構(gòu)造影響，其山脈高聳、切割強(qiáng)烈，有復(fù)雜的地貌特征地表崎嶇且地下則發(fā)育著地下河、暗湖、溶洞[1]。導(dǎo)致在貴州煤礦開采的過程中冒頂事故頻發(fā)，其中端面冒頂事故的發(fā)生不僅破壞工作面的機(jī)械裝置，而且威脅著采礦工人的安全，使得貴州省的煤層群的開采更為困難。貴州省的煤礦事故主要有瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、頂板事故、水災(zāi)等，其中冒頂事故占比最大。冒頂事故會(huì)造成巷道堵塞，導(dǎo)致瓦斯積聚、瓦斯?jié)舛榷虝r(shí)間內(nèi)提高，工作面、巷道煤壁片幫等事故發(fā)生。因此，有效預(yù)防冒頂事故發(fā)生就顯得極為緊迫。

冒頂事故從影響的范圍大小分為大型冒頂事故與局部冒頂事故，其中局部冒頂事故占比高達(dá)70%左右，雖然局部冒頂事故不會(huì)造成大面積的危害，但是會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、人員傷亡等安全事故，影響煤礦正常生產(chǎn)。發(fā)生冒頂事故的原因有很多，在松軟的煤、巖層及地質(zhì)破碎帶、斷層帶等特殊地質(zhì)條件下，掘進(jìn)巷道時(shí)，破碎頂板在重力作用下出現(xiàn)垮落，較有可能發(fā)生冒頂[2]。端面冒頂事故屬于局部冒頂事故，造成工作面兩端煤壁片幫、影響煤炭運(yùn)輸及井下的回風(fēng)等。所以，有效地控制局部冒頂?shù)陌l(fā)生，對(duì)防范冒頂事故有著重要意義。從貴州煤礦受采動(dòng)影響的應(yīng)力特征與結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析端面冒頂事故發(fā)生的機(jī)理以及控制端面冒落的技術(shù)。

1 煤礦頂板穩(wěn)定影響因素

1.1 特殊地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力分析

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)形成過程中，地殼運(yùn)動(dòng)劇烈，形成了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)煤礦開采有直接影響如褶皺、斷層及喀斯特溶洞等，同時(shí)，在這些構(gòu)造周圍由于巖層之間的相互作用通常存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)開采其周圍煤炭時(shí)極易造成冒頂事故。例如：采掘過程中碰到背斜時(shí)，受背斜影響老頂初次破斷距減小，初次來壓時(shí)在基本頂回轉(zhuǎn)作用下，煤體的抗剪能力大大降低，容易發(fā)生片幫[3]。端面冒頂事故影響范圍較小，但端面冒頂事故的發(fā)生沒有規(guī)律性，一旦發(fā)生可能導(dǎo)致采掘面機(jī)械的損壞、堵塞巷道等，進(jìn)而影響生產(chǎn)。這類事故是由于已破壞的頂板失去了依托而造成的，局部冒頂絕大部分發(fā)生在靠近斷層、褶曲軸部等構(gòu)造[4]。

由于貴州復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造(斷層、褶皺)，各巖層之間存在著較大的構(gòu)造應(yīng)力，使得開采時(shí)，需提前探清掘進(jìn)或回采面前方是否存在構(gòu)造應(yīng)力集中情況，避免發(fā)生小面積冒頂事故。

1.2 礦壓顯現(xiàn)分析

根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，礦山壓力峰值區(qū)主要集中在工作面。實(shí)踐表明，破碎頂板(或頂煤)塑性變形量大、彈性變形量小，礦山壓力沿工作面上覆的破碎頂板(或頂煤)向前進(jìn)一步延伸、釋放至煤壁，在工作面端面區(qū)域形成了壓力最高峰值，煤層受到支撐壓力最大，極易引起煤壁的片幫，造成工作面的冒頂事故[5]。

端面冒頂在采動(dòng)影響下的因素分析。

地質(zhì)因素：由于貴州省特殊的地形地貌，在地下存在著大量的溶洞、地下水等，造成在掘進(jìn)巷道的過程中，當(dāng)遇到斷層、褶皺等構(gòu)造時(shí)，由于頂板的強(qiáng)度低導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生。

可控因素：工作面長(zhǎng)度、割煤高度、端面距、采煤速度、支架俯仰角、支架初撐力、支架梁端支護(hù)力等。

不可控因素：煤層受采動(dòng)影響后出現(xiàn)的應(yīng)力重分布現(xiàn)象，如頂板來壓、頂板壓力影響、煤壁片幫等，目前尚未有技術(shù)去控制的因素。

總之，影響近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)下端面頂板穩(wěn)定性的因素是多方面的，它們之間既相互聯(lián)系又相互對(duì)立。如何通過合理地設(shè)計(jì)化解和改進(jìn)各影響因素間相互沖突，使其相互協(xié)調(diào)，維持端面頂板穩(wěn)定是研究的主要目的。

針對(duì)近距離煤層群端面頂板穩(wěn)定性而言，選取適當(dāng)?shù)难芯糠秶蛯?duì)象尺度，從端面頂板直接接觸的范疇來看，工作面煤壁和液壓支架是端面頂板兩側(cè)的關(guān)鍵控制對(duì)象，通過分析煤壁、液壓支架與端面頂板穩(wěn)定性的關(guān)系，能夠明確研究近距離煤層群端面冒頂?shù)挠绊懸蛩?，便于提出合理的控制措施。通過建立煤層群在受采動(dòng)影響下的“端面頂板-煤壁-支架”模型，從3個(gè)方面以及各方面之間的相互影響出發(fā)，研究端面頂板的穩(wěn)定性。圖1為頂板-煤壁-支架的模型。

圖1 頂板-煤壁-支架力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of roof-coal wall-support

由圖1可知，近距離煤層群開采下端面頂板影響因素應(yīng)該主要從端面距、采煤速度、支架俯仰角、支架初撐力、支架梁端支護(hù)力等方面考慮。

2 貴州省煤礦端面冒頂事故機(jī)理分析

2.1 端面重復(fù)采動(dòng)下的礦壓顯現(xiàn)

當(dāng)工作面未受采動(dòng)影響時(shí)，工作面周圍巖層應(yīng)力將重新分布，不僅在回采空間周圍煤體(柱)上造成應(yīng)力集中，并向底板深部延伸，在底板巖層一定范圍內(nèi)重新分布應(yīng)力，這是影響近距離煤層頂?shù)装宸€(wěn)定的重要因素[6]。隨著開采深度的增加，頂板所受的壓力會(huì)因其所覆蓋巖層的應(yīng)力增加而變大。在回采工作面兩端的頂板壓力變化最大，此時(shí)，頂板的中部位置首先會(huì)因礦山壓力增大而產(chǎn)生形變。由于工作面應(yīng)力的重新分布，應(yīng)力集中在一個(gè)位置，當(dāng)超過了頂板強(qiáng)度后發(fā)生端面冒頂事故。

2.2 頂板-煤壁的強(qiáng)度

受重復(fù)采動(dòng)的影響，在下位煤層開采時(shí)，頂板和煤體受到了不同程度的損傷，巖體的裂隙和節(jié)理發(fā)育，RQD值變小，在采動(dòng)作用下容易出現(xiàn)煤壁片幫與端面冒頂?shù)氖鹿省?/p>

貴州近距離煤層群重復(fù)開采后，頂板兩端出現(xiàn)大量裂隙，為保證工作面開采的順利進(jìn)行，在開采過程中提前做好破碎端面頂板冒漏的防治工作，上位煤層開采完畢，塑性破壞區(qū)域明顯增多，主要分布在采空區(qū)兩端和中部位置，直接影響到下位煤層頂板，在開采下位煤層時(shí)，為避免影響工作面的正常開采，需時(shí)刻注意兩端發(fā)生頂板冒漏。綜上，上位煤層開采對(duì)下位煤層頂板造成了損傷破壞，因此，在煤層開采過程中，頂板控制尤為重要，特別是在上部采空區(qū)的兩端，裂隙分布密集、塑性破壞區(qū)域集中，需要注意端面頂板冒漏情況，才能有效地控制冒頂事故的發(fā)生。

2.3 影響頂板穩(wěn)定性因素

2.3.1 空頂時(shí)間

在煤炭的回采過程中，炮采、普采、綜采都存在一段時(shí)間梁端或支架到煤壁的距離增加。炮采空頂時(shí)間指放完炮時(shí)及放炮過程中的煤幫區(qū)空頂時(shí)間；普采、綜采空頂時(shí)間指綜采工作面煤機(jī)割煤與拉架推移支架之間的煤幫區(qū)空頂時(shí)間，這段時(shí)間會(huì)增大頂板的破碎面積，進(jìn)而導(dǎo)致端面冒頂事故的發(fā)生。

空頂時(shí)間與頂板冒落高度的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 空頂時(shí)間與頂板冒落高度的關(guān)系Fig.2 Relationship between unsupported roof time and roof caving length

由圖2可知，頂板冒落高度與空頂時(shí)間呈正比例關(guān)系。把握空頂時(shí)間可以有效縮短工作面頂板冒落的高度。

2.3.2 液壓支架的初撐力

巷道(工作面)所受的支承壓力不同，工作面液壓支架所受的支承力也不同，由于工作面應(yīng)力分布不均勻，工作面兩端受支承壓力更大，因此，需根據(jù)支承壓力的大小選擇液壓支架。這一措施對(duì)巷道支護(hù)的穩(wěn)定有著特殊意義。

不同初撐力下端面冒頂情況見表1。

表1 不同初撐力煤壁片幫與端面冒頂情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of coal wall caving and end face caving with different setting forces

由表1可知，頂板冒落一般發(fā)生在支架初撐力較小的地方，當(dāng)控制初撐力在一定范圍時(shí)，可以有效地控制住頂板的冒落。

當(dāng)支架初撐力較低時(shí)，頂梁與直接頂接觸不穩(wěn)，甚至脫離直接頂，往往會(huì)導(dǎo)致上覆頂板在工作面煤壁附近切斷，斷裂后巖塊幾乎全部作用于支架上。初撐力不足，支架工作狀態(tài)差，極易發(fā)生頂板冒落及煤壁片幫，在提高支架初撐力后，煤壁片幫和頂板冒落得到了有效控制[7]。

2.3.3 端面距對(duì)端面冒頂?shù)挠绊?/p>

圖3為不同距離下端面與頂板冒漏情況。

如圖3所示，當(dāng)端面距為0.5 m時(shí)，巷道端面頂板比較穩(wěn)定，基本不會(huì)出現(xiàn)頂板冒漏和煤壁片幫現(xiàn)象，端面頂板控制效果比較顯著；當(dāng)增大端面距為1 m時(shí)，端面頂板開始出現(xiàn)小范圍的變形，煤壁變形量小；當(dāng)端面距為1.5 m時(shí)，頂板與煤壁出現(xiàn)變形，同時(shí)在巷道端面形成了較好的承壓拱結(jié)構(gòu)，即拱的兩幫坡度較緩；當(dāng)端面距為2 m時(shí)，頂板不再穩(wěn)定出現(xiàn)明顯破碎，導(dǎo)致出現(xiàn)大面積的垮落，煤壁片幫嚴(yán)重造成端面冒頂，頂板下沉迅速增加，很難進(jìn)行端面冒頂?shù)目刂疲瑢?dǎo)致端面頂板冒漏現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖3 不同距離下端面頂板冒落情況Fig.3 Roof caving of end face at different distances

因此，從不同端面距考慮，端面距越小，端面頂板越穩(wěn)定，但是端面距太小也會(huì)影響到工作面的正常開采。根據(jù)本礦的地質(zhì)條件考慮，為保證端面的完整性和易控性，端面距在1 m左右最為合適。

2.3.4 工作面推進(jìn)速度

工作面推進(jìn)速度是影響端面穩(wěn)定性的重要因素之一，推進(jìn)速度越慢，煤壁前方煤體破壞深度和煤壁最大水平位移量越大[8]。

在工作面不同的推進(jìn)速度下，統(tǒng)計(jì)的煤壁片幫和冒頂次數(shù)、深度以及范圍，見表2。

由表2可知：①煤壁片幫次數(shù)和頻率，隨著推進(jìn)速度增加逐漸減少。從實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，速度越快，片幫深度越小。②在同一推進(jìn)速度時(shí)，隨著片幫深度越大，發(fā)生概率越小。③現(xiàn)場(chǎng)工作面推進(jìn)時(shí)，片幫多發(fā)生在中上部支架位置，分析是受夾矸影響。因此，工作面推進(jìn)度越大(推進(jìn)速度快)，頂板的破碎度越小，煤壁片幫深度及片幫范圍越小，在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)頂煤控制、保證工作面正常的推進(jìn)速度是防止端面頂板冒頂及煤壁片幫的有效措施[9]。

表2 推進(jìn)速度與工作面片幫關(guān)系Table 2 Relationship between advancing speed and wall caving

出現(xiàn)上述規(guī)律原因如下：①當(dāng)工作面推進(jìn)速度越慢時(shí)，煤層受頂板擠壓時(shí)間越長(zhǎng)，塑性范圍區(qū)越大，造成煤壁穩(wěn)定性變差；②當(dāng)工作面推進(jìn)速度較快，煤層裂隙發(fā)育程度低，不利于內(nèi)部瓦斯的釋放。通過以上分析可知，回采過程中，在保證安全的情況下，盡量提高推進(jìn)速度有利于控制冒頂和片幫。

3 端面頂板控制技術(shù)

分析上述結(jié)果，影響貴州煤礦端面冒頂事故的因素很多，其中受采動(dòng)影響下的工作面支架、煤壁承受頂板較大的靜載荷作用，煤層塑性破壞范圍較大，因此，預(yù)防頂板冒漏是工作面圍巖控制的關(guān)鍵，建立“頂板-煤壁-支架”的力學(xué)模型，從頂板、煤壁、支架3個(gè)方面對(duì)端面頂板的冒漏進(jìn)行防治。

3.1 增加頂板及圍巖的強(qiáng)度

根據(jù)“煤壁-頂板-圍巖”與頂板冒頂?shù)穆?lián)系，提升三者的強(qiáng)度對(duì)于頂板端面冒頂?shù)目刂朴兄@著作用。提升煤層頂板以及圍巖的強(qiáng)度，可以預(yù)防端面冒頂事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。對(duì)于頂板黏結(jié)性差，在支護(hù)強(qiáng)度未能達(dá)到圍巖變形要求的情況下，極易發(fā)生漏冒型冒頂事故[10]。

提升頂板強(qiáng)度的主要采用注漿、錨網(wǎng)等方法，注漿技術(shù)簡(jiǎn)單、操作容易、效果顯著，但是成本較高，遇到復(fù)雜地質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益低。

提升圍巖強(qiáng)度主要有錨桿、錨索支護(hù)等方式且發(fā)展較為成熟，面對(duì)不同工程特性的圍巖有較全面的支護(hù)方式。也可通過開槽卸壓與松動(dòng)卸壓來減小工作面兩端集中應(yīng)力的大小。

3.2 減小空頂距

在煤層群開采中，采掘面的空頂范圍越大，越不利于頂板的支護(hù)。特別在破碎頂板或者突出礦井中要做到盡可能地減小空頂范圍，從而防止煤壁片幫和端面冒頂事故的發(fā)生。在實(shí)際操作過程中，采用控制端面空頂?shù)姆秶?，以提高端面頂板、煤體的穩(wěn)定性。具體為：①選擇合適的采煤機(jī)型號(hào)，主要取決于截深。采煤機(jī)截深過大時(shí)，空頂距大，不利于頂板的控制，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果截深應(yīng)控制在1.0 m左右。②盡可能使截割出來的頂板平整并且?guī)б欢ń嵌缺３治⒀鰻顟B(tài)，從而減小支架頂梁第一接頂點(diǎn)到梁端的距離，減小了空頂?shù)姆秶?/p>

3.3 控制推進(jìn)速度

當(dāng)工作面推進(jìn)速度過慢時(shí)，煤層受頂板擠壓時(shí)間越長(zhǎng)，采掘面周圍塑性范圍區(qū)越大，造成煤壁穩(wěn)定性變差，但如果工作面推進(jìn)速度太快，煤層裂隙發(fā)育程度低，又不利于內(nèi)部瓦斯的釋放。所以保持適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)速度可以限制煤壁松動(dòng)層變寬，防止煤壁與頂板破碎加大，失去穩(wěn)定性導(dǎo)致冒落，同時(shí)還要盡量縮短空頂時(shí)間，以防冒頂發(fā)生。

3.4 破碎頂板的錨網(wǎng)支護(hù)

在采面的推進(jìn)過程中，如果破碎頂板在進(jìn)入頂梁上方時(shí)已很破碎，且頂梁上方有矸石、廢石等限制時(shí)，移架時(shí)，浮矸從架間及端面漏下，無法做到及時(shí)的支護(hù)；在這種情況下鋪頂網(wǎng)能阻擋破碎頂板冒落，達(dá)到改善頂板的功效。當(dāng)巷道頂板處于破碎狀態(tài)時(shí)，極易導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生，同時(shí)掉落的矸石與碎石還可能導(dǎo)致人員受傷。超前將錨桿打入未開挖的圍巖以后，其前端支撐于巖體內(nèi)，后端支撐于棚梁上形成了梁效應(yīng)，支撐住其上的巖體，減少了圍巖的變形[11]，避免了巖體的局部冒落，可以有效防止冒頂事故的發(fā)生與矸石的掉落。并在巷道內(nèi)設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)跟蹤，根據(jù)記錄結(jié)果，當(dāng)巷道施加錨索后，變形量明顯減小，說明加固的強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期效果[12]。

3.5 選擇正確的支護(hù)方式

在綜采作業(yè)中，工作面按照采煤工序不同，支護(hù)主要有3種方式，分別為超前、及時(shí)、滯后支護(hù)。區(qū)別在于采煤、移架、推移輸送機(jī)3個(gè)工序在時(shí)間上的順序不同。及時(shí)支護(hù)方式指采煤機(jī)割煤后，支架依次或分組隨采煤機(jī)立即前移支護(hù)頂板，輸送機(jī)隨移架逐段移向煤壁[13]，這種方式雖然能夠在推移輸送機(jī)后，在支架與輸送機(jī)之間富余出一個(gè)截深的寬度，便于行人、運(yùn)料和通風(fēng)，但是卻不適用于頂板穩(wěn)定性差的煤層中，因?yàn)樵谝萍苓^程中暴露出來的破碎頂板可能導(dǎo)致端面冒頂?shù)陌l(fā)生。

綜采面遇到不穩(wěn)定破碎頂板時(shí)，在開采前進(jìn)行頂板加強(qiáng)、保持頂板穩(wěn)定是非常困難的，如果直接推進(jìn)采煤機(jī)又會(huì)導(dǎo)致局部破碎頂板的冒落造成生產(chǎn)停滯，損壞機(jī)械設(shè)備等不良影響。因此，采取工作面超前支護(hù)，提前控制工作面前方頂板，可以預(yù)防端面冒頂發(fā)生，保證采煤機(jī)正常作業(yè)時(shí)頂板不會(huì)冒落，采煤和推移輸送機(jī)工作安全順利。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)貴州省的地形地質(zhì)特點(diǎn)，煤炭開采過程中，通過分析事故起因，冒頂是主要的礦井事故，需要盡可能控制端面冒頂事故的發(fā)生。

(2)雖然貴州地勢(shì)復(fù)雜，煤礦生產(chǎn)更為困難，通過相應(yīng)的技術(shù)措施，端面冒頂事故可以得到有效遏制。由于冒頂事故的誘因復(fù)雜，僅結(jié)合幾個(gè)重點(diǎn)誘因進(jìn)行分析與防治。

(3)端面冒頂事故的發(fā)生占煤礦事故的比例較大，即使有控制技術(shù)的支持，仍需加強(qiáng)工作人員的安全防范意識(shí)，規(guī)范操作才能真正做到有效地控制端面冒頂事故的發(fā)生。