煤矿顶板事故分析
2021-12-29张志荣
张志荣
宁夏煤矿安全监察局安全技术中心 宁夏 银川 750001
1 煤层顶底板岩性和构造发育因素
随着采掘工作面不断推进,工作面围岩应力重新分布,其前方支撑压力逐渐增大,到一定距离后便达到峰值。于采空区上方呈三带分布,垂直变形;沿推进方向呈三区分布,压缩变形,采空区周边、采煤工作面和掘进巷道受矿山压力影响,矿压显现可能引发顶板事故。如果煤层顶板岩石硬度较低,而节理、层理、裂隙甚至是构造比较发育时,破坏了顶板的完整性,破碎性变大,采场支护的管理难度相应增大,顶板事故发生的概率就高;煤层的底板岩性过于松软,支架(柱)因底板比压值小而陷入底板,则相应地降低了采场支护强度,顶板会随着支架(柱)的下陷而下沉,也增大了冒顶的可能性;相反,如果底板坚硬,顶板松软,采场的支撑力超过了顶板岩性的强度,支架(柱)可能会对顶板形成切割作用,破坏顶板的完整性而导致冒顶[1]。
2 采场支护和顶底板管理因素
根据煤层的赋存条件和顶底板岩性,科学合理地设计采场的支护形式和支护参数,采取切合实际的顶板管理方法,对防止冒顶至关重要。顶底板的岩性和构造状况是自然形成的客观条件,采场的支护形式和支护参数必须符合地质条件,为此,对采场支护的技术要求必须达到控制好顶底板稳定的目的。
2.1 破碎顶板和复合顶板易发顶板事故
随采掘工作面开采推进,前方支撑压力逐渐增大,直接顶极易受到早期破坏和失稳出现脱层、离层、掉顶抽条和局部冒落。所以顶板管理工作必须加强,特别要控制直接顶的变形、破坏,采取有效措施阻止任何离层、裂隙扩展和冒落的发生。使顶板~支架~底板力学体系维持处于稳定的良性循环工作状态。其顶板事故因素有:
(1)没有避开应力升高区:一是来自同层或相邻煤层开采产生的煤柱压力;二是采面开采产生的超前支撑压力;三是两相邻工作面距离小,开采互有影响,甚至是相向推进,这种影响更为剧烈。有这些压力因素影响,如果对破碎顶板管理不到位,易发生顶板事故。
(2)采面梁端距超过规定:如支柱(架)没有架设到位,距离超过规程规定;或是煤壁片帮较深,临时支护不及时;再有在局部掉顶后,没有及时采取刹接顶板措施。以上原因的存在易发生顶板事故。
(3)没有形成及时有效的支护:支柱(架)实际初撑力和初工作阻力不够,导致工作阻力低;工作面总体支护强度、支护密度不足,尤其是极不稳定顶板,支护密度不足时问题很严重;采面特殊支护不到位,特殊地点没有采取加强支护措施;采煤工作面日常管理松懈,液压系统跑、冒、滴、漏问题严重,造成液压支柱(架)及其初撑力或工作阻力达不到要求。这些原因容易导致顶板事故。
(4)对于采掘面出现的各类地质构造如断层、褶曲、夹矸侵入、冲刷带等等,没有及时采取特殊的支护措施。
(5)顶板的空顶面积和空顶时间没有严格控制,采掘工作面临时控顶面积过大,时间过长会造成顶板突然来压,摧毁采场和巷道。
(6)在顶板比较松软和破碎的巷道掘进,工作面空顶、临时控顶面积过大和时间过长、支护不及时、支护构件不全、支护材料质量差等都会容易造成冒顶事故。
(7)其他如底板松软时,支护方面没有采取防止支柱钻底措施,引起顶板下沉量加大;回柱与回采工序没有在空间、时间上适当错开;工作面推进度缓慢等等都构成引发冒顶事故的因素。
2.2 周期来压强烈的不稳定顶板易发生顶板事故因素
当老顶发生动力现象(周期性断裂、垮落、悬垂、挠曲)时,直接顶下沉,支架载荷增加,沿煤壁切顶,滑移失稳和转动失稳(推垮支架)。其顶板事故因素有:①支柱(架)初撑力和工作阻力不够,没有达到额定工作阻力状态;②老顶来压前,没有适当增加支护强度及增加特种支架(如工作面上、下安全出口特殊支护和切顶密柱等);③初次来压之前,没有采取强制放顶措施或强制放顶工作不到位;④对采面周期来压强度和规律分析、预判不够,安全技术措施针对性不强。
2.3 开采深度和隔离煤柱因素
矿井开采深度的增加和地层构造的存在,会加大岩层的原始应力和集中应力的变化,其煤体前方的支撑压力与开采深度成比例。因此,煤壁片帮及顶板再生裂隙将随开采深度增加而增加。给采场支护和维修带来困难,因而也就增加了冒顶的可能性。当隔离煤柱尺寸较小,或其抗压强度不能支承矿山压力时,煤柱会被破坏而造成顶板冒落[2]。
2.4 煤层的特性因素
煤层的厚度和硬度及煤层的结构也是发生冒顶事故的因素。如随着开采煤层厚度增加,采空区冒落高度也相应增加,煤壁片帮也越发严重,从而导致顶板下沉,支架载荷增加。又如煤层倾角,各种倾角的工作面顶板的移动,取决于垂直层面的岩层压力,大倾角煤层顶板移动量和支架载荷小。相反,小倾角煤层顶板移动量和支架载荷大,也易发冒顶事故。其他如煤质松软或煤层节理、层理发育,煤壁处理措施不当,工作面俯(仰)采时,均易造成顶板事故。
2.5 选择开采系统和开采顺序因素
如不能合理的选择采掘系统和开采顺序,就会造成采掘工作面周围不同程度、甚至是高强度的矿山压力,发生顶板事故的概率就会加大。其主要因素有: ①回采巷道没有布置在免压区内,掘进与回采时均受到相邻煤柱压力影响;②形成了两侧都已开采的孤岛形工作面;③采面长度和开采高度设计取值不合理;④两个工作面同时相向开采;⑤工作面方向与顶板主节理、裂隙走向交角不合理(一般不小于15~20°);⑥没有采取无煤柱或小煤柱开采。
综上所述,导致顶板事故的因素主要有煤层顶底板岩性和构造发育因素、采场支护和顶底板管理因素、开采深度和隔离煤柱因素、煤层的特性因素、选择开采系统和开采顺序因素,需要矿方从以上五方面加强顶板管理和隐患排查,防止顶板事故发生,保护煤矿从业人员生命安全。