煤层群开采端面冒顶事故发生机理与控制*

2022-02-17帅运林胡品品

陕西煤炭 2022年1期

石鹏，秦松，帅运林，胡品品

(贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

贵州地形以喀斯特地貌为主，受地质构造影响，其山脉高耸、切割强烈，有复杂的地貌特征地表崎岖且地下则发育着地下河、暗湖、溶洞[1]。导致在贵州煤矿开采的过程中冒顶事故频发，其中端面冒顶事故的发生不仅破坏工作面的机械装置，而且威胁着采矿工人的安全，使得贵州省的煤层群的开采更为困难。贵州省的煤矿事故主要有瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、顶板事故、水灾等，其中冒顶事故占比最大。冒顶事故会造成巷道堵塞，导致瓦斯积聚、瓦斯浓度短时间内提高，工作面、巷道煤壁片帮等事故发生。因此，有效预防冒顶事故发生就显得极为紧迫。

冒顶事故从影响的范围大小分为大型冒顶事故与局部冒顶事故，其中局部冒顶事故占比高达70%左右，虽然局部冒顶事故不会造成大面积的危害，但是会导致设备损坏、人员伤亡等安全事故，影响煤矿正常生产。发生冒顶事故的原因有很多，在松软的煤、岩层及地质破碎带、断层带等特殊地质条件下，掘进巷道时，破碎顶板在重力作用下出现垮落，较有可能发生冒顶[2]。端面冒顶事故属于局部冒顶事故，造成工作面两端煤壁片帮、影响煤炭运输及井下的回风等。所以，有效地控制局部冒顶的发生，对防范冒顶事故有着重要意义。从贵州煤矿受采动影响的应力特征与结构出发，分析端面冒顶事故发生的机理以及控制端面冒落的技术。

1 煤矿顶板稳定影响因素

1.1 特殊地质构造应力分析

在漫长的地质形成过程中，地壳运动剧烈，形成了复杂的地质构造，对煤矿开采有直接影响如褶皱、断层及喀斯特溶洞等，同时，在这些构造周围由于岩层之间的相互作用通常存在着应力集中现象，当开采其周围煤炭时极易造成冒顶事故。例如：采掘过程中碰到背斜时，受背斜影响老顶初次破断距减小，初次来压时在基本顶回转作用下，煤体的抗剪能力大大降低，容易发生片帮[3]。端面冒顶事故影响范围较小，但端面冒顶事故的发生没有规律性，一旦发生可能导致采掘面机械的损坏、堵塞巷道等，进而影响生产。这类事故是由于已破坏的顶板失去了依托而造成的，局部冒顶绝大部分发生在靠近断层、褶曲轴部等构造[4]。

由于贵州复杂的地质构造(断层、褶皱)，各岩层之间存在着较大的构造应力，使得开采时，需提前探清掘进或回采面前方是否存在构造应力集中情况，避免发生小面积冒顶事故。

1.2 矿压显现分析

根据矿山压力显现规律，矿山压力峰值区主要集中在工作面。实践表明，破碎顶板(或顶煤)塑性变形量大、弹性变形量小，矿山压力沿工作面上覆的破碎顶板(或顶煤)向前进一步延伸、释放至煤壁，在工作面端面区域形成了压力最高峰值，煤层受到支撑压力最大，极易引起煤壁的片帮，造成工作面的冒顶事故[5]。

端面冒顶在采动影响下的因素分析。

地质因素：由于贵州省特殊的地形地貌，在地下存在着大量的溶洞、地下水等，造成在掘进巷道的过程中，当遇到断层、褶皱等构造时，由于顶板的强度低导致冒顶事故的发生。

可控因素：工作面长度、割煤高度、端面距、采煤速度、支架俯仰角、支架初撑力、支架梁端支护力等。

不可控因素：煤层受采动影响后出现的应力重分布现象，如顶板来压、顶板压力影响、煤壁片帮等，目前尚未有技术去控制的因素。

总之，影响近距离煤层群重复采动下端面顶板稳定性的因素是多方面的，它们之间既相互联系又相互对立。如何通过合理地设计化解和改进各影响因素间相互冲突，使其相互协调，维持端面顶板稳定是研究的主要目的。

针对近距离煤层群端面顶板稳定性而言，选取适当的研究范围和对象尺度，从端面顶板直接接触的范畴来看，工作面煤壁和液压支架是端面顶板两侧的关键控制对象，通过分析煤壁、液压支架与端面顶板稳定性的关系，能够明确研究近距离煤层群端面冒顶的影响因素，便于提出合理的控制措施。通过建立煤层群在受采动影响下的“端面顶板-煤壁-支架”模型，从3个方面以及各方面之间的相互影响出发，研究端面顶板的稳定性。图1为顶板-煤壁-支架的模型。

图1 顶板-煤壁-支架力学模型Fig.1 Mechanical model of roof-coal wall-support

由图1可知，近距离煤层群开采下端面顶板影响因素应该主要从端面距、采煤速度、支架俯仰角、支架初撑力、支架梁端支护力等方面考虑。

2 贵州省煤矿端面冒顶事故机理分析

2.1 端面重复采动下的矿压显现

当工作面未受采动影响时，工作面周围岩层应力将重新分布，不仅在回采空间周围煤体(柱)上造成应力集中，并向底板深部延伸，在底板岩层一定范围内重新分布应力，这是影响近距离煤层顶底板稳定的重要因素[6]。随着开采深度的增加，顶板所受的压力会因其所覆盖岩层的应力增加而变大。在回采工作面两端的顶板压力变化最大，此时，顶板的中部位置首先会因矿山压力增大而产生形变。由于工作面应力的重新分布，应力集中在一个位置，当超过了顶板强度后发生端面冒顶事故。

2.2 顶板-煤壁的强度

受重复采动的影响，在下位煤层开采时，顶板和煤体受到了不同程度的损伤，岩体的裂隙和节理发育，RQD值变小，在采动作用下容易出现煤壁片帮与端面冒顶的事故。

贵州近距离煤层群重复开采后，顶板两端出现大量裂隙，为保证工作面开采的顺利进行，在开采过程中提前做好破碎端面顶板冒漏的防治工作，上位煤层开采完毕，塑性破坏区域明显增多，主要分布在采空区两端和中部位置，直接影响到下位煤层顶板，在开采下位煤层时，为避免影响工作面的正常开采，需时刻注意两端发生顶板冒漏。综上，上位煤层开采对下位煤层顶板造成了损伤破坏，因此，在煤层开采过程中，顶板控制尤为重要，特别是在上部采空区的两端，裂隙分布密集、塑性破坏区域集中，需要注意端面顶板冒漏情况，才能有效地控制冒顶事故的发生。

2.3 影响顶板稳定性因素

2.3.1 空顶时间

在煤炭的回采过程中，炮采、普采、综采都存在一段时间梁端或支架到煤壁的距离增加。炮采空顶时间指放完炮时及放炮过程中的煤帮区空顶时间；普采、综采空顶时间指综采工作面煤机割煤与拉架推移支架之间的煤帮区空顶时间，这段时间会增大顶板的破碎面积，进而导致端面冒顶事故的发生。

空顶时间与顶板冒落高度的关系，如图2所示。

图2 空顶时间与顶板冒落高度的关系Fig.2 Relationship between unsupported roof time and roof caving length

由图2可知，顶板冒落高度与空顶时间呈正比例关系。把握空顶时间可以有效缩短工作面顶板冒落的高度。

2.3.2 液压支架的初撑力

巷道(工作面)所受的支承压力不同，工作面液压支架所受的支承力也不同，由于工作面应力分布不均匀，工作面两端受支承压力更大，因此，需根据支承压力的大小选择液压支架。这一措施对巷道支护的稳定有着特殊意义。

不同初撑力下端面冒顶情况见表1。

表1 不同初撑力煤壁片帮与端面冒顶情况统计Table 1 Statistics of coal wall caving and end face caving with different setting forces

由表1可知，顶板冒落一般发生在支架初撑力较小的地方，当控制初撑力在一定范围时，可以有效地控制住顶板的冒落。

当支架初撑力较低时，顶梁与直接顶接触不稳，甚至脱离直接顶，往往会导致上覆顶板在工作面煤壁附近切断，断裂后岩块几乎全部作用于支架上。初撑力不足，支架工作状态差，极易发生顶板冒落及煤壁片帮，在提高支架初撑力后，煤壁片帮和顶板冒落得到了有效控制[7]。

2.3.3 端面距对端面冒顶的影响

图3为不同距离下端面与顶板冒漏情况。

如图3所示，当端面距为0.5 m时，巷道端面顶板比较稳定，基本不会出现顶板冒漏和煤壁片帮现象，端面顶板控制效果比较显著；当增大端面距为1 m时，端面顶板开始出现小范围的变形，煤壁变形量小；当端面距为1.5 m时，顶板与煤壁出现变形，同时在巷道端面形成了较好的承压拱结构，即拱的两帮坡度较缓；当端面距为2 m时，顶板不再稳定出现明显破碎，导致出现大面积的垮落，煤壁片帮严重造成端面冒顶，顶板下沉迅速增加，很难进行端面冒顶的控制，导致端面顶板冒漏现象严重。

图3 不同距离下端面顶板冒落情况Fig.3 Roof caving of end face at different distances

因此，从不同端面距考虑，端面距越小，端面顶板越稳定，但是端面距太小也会影响到工作面的正常开采。根据本矿的地质条件考虑，为保证端面的完整性和易控性，端面距在1 m左右最为合适。

2.3.4 工作面推进速度

工作面推进速度是影响端面稳定性的重要因素之一，推进速度越慢，煤壁前方煤体破坏深度和煤壁最大水平位移量越大[8]。

在工作面不同的推进速度下，统计的煤壁片帮和冒顶次数、深度以及范围，见表2。

由表2可知：①煤壁片帮次数和频率，随着推进速度增加逐渐减少。从实际数据统计来看，速度越快，片帮深度越小。②在同一推进速度时，随着片帮深度越大，发生概率越小。③现场工作面推进时，片帮多发生在中上部支架位置，分析是受夹矸影响。因此，工作面推进度越大(推进速度快)，顶板的破碎度越小，煤壁片帮深度及片帮范围越小，在实际生产过程中应加强顶煤控制、保证工作面正常的推进速度是防止端面顶板冒顶及煤壁片帮的有效措施[9]。

表2 推进速度与工作面片帮关系Table 2 Relationship between advancing speed and wall caving

出现上述规律原因如下：①当工作面推进速度越慢时，煤层受顶板挤压时间越长，塑性范围区越大，造成煤壁稳定性变差；②当工作面推进速度较快，煤层裂隙发育程度低，不利于内部瓦斯的释放。通过以上分析可知，回采过程中，在保证安全的情况下，尽量提高推进速度有利于控制冒顶和片帮。

3 端面顶板控制技术

分析上述结果，影响贵州煤矿端面冒顶事故的因素很多，其中受采动影响下的工作面支架、煤壁承受顶板较大的静载荷作用，煤层塑性破坏范围较大，因此，预防顶板冒漏是工作面围岩控制的关键，建立“顶板-煤壁-支架”的力学模型，从顶板、煤壁、支架3个方面对端面顶板的冒漏进行防治。

3.1 增加顶板及围岩的强度

根据“煤壁-顶板-围岩”与顶板冒顶的联系，提升三者的强度对于顶板端面冒顶的控制有着显著作用。提升煤层顶板以及围岩的强度，可以预防端面冒顶事故的发生，实现正常生产。对于顶板黏结性差，在支护强度未能达到围岩变形要求的情况下，极易发生漏冒型冒顶事故[10]。

提升顶板强度的主要采用注浆、锚网等方法，注浆技术简单、操作容易、效果显著，但是成本较高，遇到复杂地质可能会导致生产的经济效益低。

提升围岩强度主要有锚杆、锚索支护等方式且发展较为成熟，面对不同工程特性的围岩有较全面的支护方式。也可通过开槽卸压与松动卸压来减小工作面两端集中应力的大小。

3.2 减小空顶距

在煤层群开采中，采掘面的空顶范围越大，越不利于顶板的支护。特别在破碎顶板或者突出矿井中要做到尽可能地减小空顶范围，从而防止煤壁片帮和端面冒顶事故的发生。在实际操作过程中，采用控制端面空顶的范围，以提高端面顶板、煤体的稳定性。具体为：①选择合适的采煤机型号，主要取决于截深。采煤机截深过大时，空顶距大，不利于顶板的控制，根据数值模拟结果截深应控制在1.0 m左右。②尽可能使截割出来的顶板平整并且带一定角度保持微仰状态，从而减小支架顶梁第一接顶点到梁端的距离，减小了空顶的范围。

3.3 控制推进速度

当工作面推进速度过慢时，煤层受顶板挤压时间越长，采掘面周围塑性范围区越大，造成煤壁稳定性变差，但如果工作面推进速度太快，煤层裂隙发育程度低，又不利于内部瓦斯的释放。所以保持适当的推进速度可以限制煤壁松动层变宽，防止煤壁与顶板破碎加大，失去稳定性导致冒落，同时还要尽量缩短空顶时间，以防冒顶发生。

3.4 破碎顶板的锚网支护

在采面的推进过程中，如果破碎顶板在进入顶梁上方时已很破碎，且顶梁上方有矸石、废石等限制时，移架时，浮矸从架间及端面漏下，无法做到及时的支护；在这种情况下铺顶网能阻挡破碎顶板冒落，达到改善顶板的功效。当巷道顶板处于破碎状态时，极易导致冒顶事故的发生，同时掉落的矸石与碎石还可能导致人员受伤。超前将锚杆打入未开挖的围岩以后，其前端支撑于岩体内，后端支撑于棚梁上形成了梁效应，支撑住其上的岩体，减少了围岩的变形[11]，避免了岩体的局部冒落，可以有效防止冒顶事故的发生与矸石的掉落。并在巷道内设置变形观测点，对观测点进行持续跟踪，根据记录结果，当巷道施加锚索后，变形量明显减小，说明加固的强度达到预期效果[12]。

3.5 选择正确的支护方式

在综采作业中，工作面按照采煤工序不同，支护主要有3种方式，分别为超前、及时、滞后支护。区别在于采煤、移架、推移输送机3个工序在时间上的顺序不同。及时支护方式指采煤机割煤后，支架依次或分组随采煤机立即前移支护顶板，输送机随移架逐段移向煤壁[13]，这种方式虽然能够在推移输送机后，在支架与输送机之间富余出一个截深的宽度，便于行人、运料和通风，但是却不适用于顶板稳定性差的煤层中，因为在移架过程中暴露出来的破碎顶板可能导致端面冒顶的发生。

综采面遇到不稳定破碎顶板时，在开采前进行顶板加强、保持顶板稳定是非常困难的，如果直接推进采煤机又会导致局部破碎顶板的冒落造成生产停滞，损坏机械设备等不良影响。因此，采取工作面超前支护，提前控制工作面前方顶板，可以预防端面冒顶发生，保证采煤机正常作业时顶板不会冒落，采煤和推移输送机工作安全顺利。