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普采工作面顶板事故的防治

煤矿冒顶事故对矿井安全生产危害极大，据煤矿事故统计，我国煤矿顶板事故占３０ ％～４０ ％，大多数顶板事故又发生在回采工作面，约占７５ ％～８５ ％，而回采工作面冒顶事故多发生在顶板来压期间，约占顶板总事故的６０ ％～７０ ％。其中，直接顶初次放顶占３０ ％～４０ ％，老顶来压时占６０ ％～７０ ％。从上述数据分析可以看出，回采工作面初次放顶、老顶初次来压和周期来压时所占比例较大。而回采工作面又以普采工作面较为严重：一是普采工作面数量多；二是由于普采工作面机械化水平较综采工作面低，抗灾能力差，发生顶板事故概率是综采的１０～２０倍。因此，分析掌握普采工作面发生冒顶的原因、规律，研究有效防治措施，以降低煤矿顶板事故的发生，保证煤矿安全生产。
　　１ 直接顶初次放顶时的冒顶事故原因分析和预防
　　1．１ 初次放顶特点
　　煤层在开采之前，它同岩层在各个方向受力是平衡的，掘出开切眼后，岩层受力平衡状态遭到破坏，围岩移动变形，寻求新的应力平衡，在顶板上方形成了暂时平衡的岩石松动圈，这时工作面支架主要支撑的是松动圈内岩石重量。工作面开始回采，向前推动，松动圈逐渐扩展，支架受力很快增加，这时如不采用措施，岩层就会压垮支架，以致发生冒顶事故。因此，一般在开切眼推动６ ｍ～２０ ｍ后，就及时撤回采空区支架，直接顶随回柱而垮落，这就是初次放顶。如果顶板岩石不自行垮落，要向采空区顶板打眼放炮进行"强制放顶'。直接顶初次放顶的特点有：一是工作面控顶面积较大，支柱较多，承受的压力也较大；二是初次放顶时，一次回柱范围较大，顶板冒落范围也较大；三是回柱时人工操作量大，时间较长。
　　１．２ 初次放顶时发生冒顶事故的原因
　　〔１〕放顶距选择不合理，选择过大时，放顶前顶板压力大于支护阻力，易发生压垮工作面的顶板事故；
　　〔２〕初次放顶面积过大，冲击力大，容易推倒支柱而造成冒顶；
　　〔３〕初次放顶后，直接顶没有完全冒落，就持续采煤，使控顶面积越来越大，容易造成冒顶事故；
　　〔４〕回柱方法不合理，造成顶板压力向局部支柱集中，造成局部顶板破碎，而容易发生局部冒顶事故；
　　〔５〕支柱未按要求支设，初撑力不够，造成顶板下沉量过大或支护阻力较小，回柱后造成工作面支柱撑不住顶板而发生冒顶事故；
　　〔６〕回柱一般均为工人直接操作，因此发生伤人事故的机率较大。
　　１．３ 事故案例
　　案例１：南桐某矿，６号煤层厚度０．２ ｍ～１．８ ｍ，直接顶为含黄铁矿的钙质页岩，厚度１．９ ｍ～４．８６ ｍ，老顶为坚硬的石灰岩，厚度２．４ ｍ。煤层倾角３０～４５，使用金属摩擦支柱，该面直接顶平行工作面煤壁方向的裂隙发育，将顶板分割成大块。回采后裂缝扩展，回柱时发生大块顶板向煤壁或倾斜方向的推垮事故。事故原因为：回柱时一次垮落顶板范围较大，形成冲击力，推倒支柱，减小支护阻力引发大面积冒顶。
　　案例２：某矿２３０３普采工作面，直接顶为石灰岩，厚２ ｍ～３ ｍ，节理发育，老顶为石灰岩粉砂岩互层。事故经过为，出完一刀煤后，工作面正从机头向机尾回柱，回到工作面中段接近老巷处，发现几棵支柱钻人底板５０ ｃｍ，改用铰车拉柱，支柱刚拉倒，整个顶板〔长１８ ｍ，宽７．２ ｍ，厚６ ｍ〕，将支柱推倒〔倒向煤壁〕，发生在冒顶，造成４人死亡。事故原因：一是顶板支护质量低劣，在煤壁侧发现顶板矿压显现有裂缝痕迹，未采用及时有效措施，仍盲目组织放顶，造成工作面大面积推垮型冒顶；二是组织措施不利，措施编制针对性不强，工作面单体液压支柱有各别漏液现象；三是初采初放责任制不落实，违章指挥、违章作业。
　　１．４ 初次放顶时冒顶事故的预防措施
　　〔１〕针对具体直接顶条件，确定合理的直接顶初次放顶步距；
　　〔２〕初次放顶时，力争一次放顶成功，使直接顶完全冒落后，才能持续采煤；
　　〔３〕支柱要按要求支设，保质保量，使支柱都能达到制定的初撑力和支护阻力；
　　〔４〕强化切顶线的支护强度和支护密度，保证在切顶线处切顶，同时防止冒落矸石窜入工作面推倒支柱；
　　〔５〕如果强制放顶，必须严格规定炮眼规格，装药量及放炮步骤，防止崩倒支柱，发生冒顶事故；
　　〔６〕初次放顶时，选择有经验的工人操作，并且有技术人员现场指挥；
　　〔７〕工作面工人，尤其是班组长必须掌握工作面顶板冒顶的预兆，一旦发现冒顶预兆，现场人员应迅速采用有效应急措施。
　　２ 老顶初次来压和周期来压时的冒顶事故
　　２．１ 初次来压和周期来压的特点
　　直接顶初次放顶后，如果直接顶垮落不能填满采空区，老顶就像"梁'一样架在两边煤层上，并支撑着上面的岩石重量，当工作面持续推动，老顶悬露面积越来越大，当超过它本身强度，梁的平衡受到破坏，老顶折断垮落，它给工作面一个很大的突然压力，即老顶的初次来压。老顶初次垮落后，随工作面持续推动，老顶呈悬梁状态存在，当悬臂长度达到一定长度时，折断垮落。随工作面推动，这种垮落有规律，周期性地发生，称老顶的周期来压。
　老顶在初次来压和周期来压时，垮落步距较大、面积大、强度高，并且可能伴随发生动压冲击，矿压显现较激烈，一般具有以下特点：一是由于老顶的剧烈活动，使工作面顶板下沉量和下沉速度急剧增加；二是支架受力猛增，出现顶板破碎、裂缝、片帮甚至工作面出现台阶下沉等现象；三是老顶折断垮落时，在采空区深处先产生沉闷雷声，继而采空区出现掉碴，垮落时伴有暴风。
　　２．２ 老顶初次来压和周期来压发生冒顶事故的原因
　　〔１〕来压前，工作面压力较小，当使用增阻支柱时，支柱不牢，来压时极易失稳，造成切顶事故。
　　〔２〕来压前，由于支护强度不够，造成直接顶与老顶离层，来压时，老顶对直接顶形成冲击引起推垮工作面事故；
　　〔３〕工作面支护强度不够或刚性支护〔如木支柱〕，老顶来压时，压垮工作面，造成事故；
　　〔４〕来压前，支承压力的集中，使老顶断裂线四周顶板破碎，当没有防止冒顶措施时，来压时易发生局部冒顶事故；
　　〔５〕来压时造成煤壁大量片帮，当开采厚度较大时，片帮煤容易造成埋人、伤人事故。另外，片帮后造成空顶面积增大，易发生漏顶事故。
　　２．３ 事故案例
　　案例１：某矿２２３３炮采工作面，１０＃煤层厚１．８ ｍ，老顶为白色石英砂岩，厚８ ｍ，底板为铝土页岩，木支柱支护。当工作面推动距开切眼４８ ｍ时，老顶初次来压，从煤壁处强迫直接顶下切，压断支柱，造成大冒顶，死亡４人，伤２人。事故原因：支护能力不够，造成直接顶和老顶的离层，来压时老顶对直接顶形成动压冲击作用，发生冲击砸垮型事故；没有依据实际状况制定针对性的安全技术措施。
　　案例２：某矿高档普采工作面，直接顶为灰黑色砂质页岩，厚０．８ ｍ～1 ｍ，老顶为灰白色中细粒砂岩，厚５ ｍ～８ ｍ，初次放顶后，老顶显然不下沉，造成工作面内直接顶与老顶离层，当老顶初次来压时，沿煤壁切断直接顶。由于工作面沿伪斜向上推动，离层断裂岩层带动支柱向下滑动，推倒支柱〔均沿倾斜向下并偏向采空区倒伏〕，形成恶性冒顶事故。事故原因：一是支柱阻力小，造成直接顶和老顶离层，以及来压时切断直接顶，使直接顶成为独立的"六面体'；二是没有防止老顶向下滑动的措施。
　　２．４ 老顶初次来压及周期来压时冒顶事故的预防措施
　　〔１〕强化矿井顶板管理的基础工作。认真编制合理的作业规程，严格作业规程的实施。编制作业规程时，应充分利用地质预防和矿压观测得到的基础资料，做好工作面的支护制定和制定顶板管理措施，并切实贯彻执行有关技术政策和先进技术，保证其科学性和针对性，同时还要依据生产条件和地质变化及时制定相应补充措施。组队要认真学习作业规程，并按规定进行考核，按作业规程作业。
　　〔２〕支护制定应做到：第一，支架的支护特性与顶底板条件相适应。急增阻摩擦支柱适用于顶板下沉量小于１００ ｍｍ、高度１．３ ｍ以下的缓斜煤层；微增阻摩擦金属支柱可用于顶板下沉量小于４００ ｍｍ的缓斜或倾斜中厚煤层；单体液压支柱可用于顶板下沉量小于６００ ｍｍ的缓斜或倾斜煤层．另外不同工作特性的支柱不能在同一工作面混用或分段使用。第二，确定合理的支护参数和布置方式。支护强度和支护密度是单体支柱工作面最重要的支护参数。支护强度较小，会引起大面积冒顶或顶板台阶下沉，易引发顶板事故。支护强度过大也带来支架成本高，支设和回柱工作量大等缺点。有些状况下，过大的支护强度使支柱对老顶处于"限定变形'的工作方案下，老顶来压时给直接顶较大的压力，从而使直接顶破碎而引起冒顶。因此必须针对每个工作面，依据顶板具体条件，通过计算确定合理的支护强度和支护密度。单体支柱工作面基本支护的布置方式应依据顶板条件确定：不稳定顶板采纳齐梁齐柱加临时贴帮柱〔或超前梁布置〕；中等稳定顶板采纳齐梁齐柱或错梁齐柱等布置；稳定顶板可采纳带帽点柱布置。特种支护起着加强工作面支撑力和稳定性，提升切顶和挡矸效果的作用。密集支柱一般在Ⅱ级以上老顶条件下使用；在老顶初次来压和周期来压时，要用戗棚、木垛或增加支护密度等措施。
　　〔３〕进一步落实好顶板管理责任制，从上到下，认真落实，层层负责。教育广大职工干标准活、干放心活，按质量标准化标准作业。
　　一是强化支护材料的质量管理，按制定每个支柱合格方能使用和严格执行定期检修制度；
　　二是严格工程质量管理，按制定要求支设和回收支柱；
　　三是严格按规章制度执行，不得违章指挥和违章作业。
　　〔４〕强化支护质量与顶板动态监测。支护质量与顶板动态监测是预防管理科学之一，通过对采煤面各部位顶板动态、支护质量和不安全因素及其变化规律进行监测和预报，及时制定可行的防范措施，可做到有效地控制顶板。
　　〔５〕开展安全班评估工作。开展班评估工作可以变静态安全、质量检查为动态检查，变定期检查为日常检查，及时反映现场的不安全隐患，马上加以整改，达到变事故后追查处理为超前猜测预防的目的。特别是强化老顶来压的猜测预报，观察、观测顶板下沉速度的变化，当下沉速度突然增至某一范围时，及时发出预报，采用强化支护等必要措施，以消除沿煤壁切顶或工作面压垮型事故发生。
　　〔６〕强化矿井地质工作。采掘工作面的顶板事故有相当一部分是因遇地质变化而未能及时采用针对性措施引起的，做好地质预报工作，对降低顶板事故具有重要意义。