基于地质预报的煤巷顶板事故防治研究

＊李建文

（山西高平科兴平泉煤业有限公司 山西 048400）

巷道作为煤矿开采中人员、设备与煤矿运输通道，其质量安全问题关系到人身安全与生产安全等重大问题。近年来，我国煤矿开采程度、深度日益增加，煤矿内部所处地质环境也更为复杂，开采的安全问题也随之而来。其中，巷道掘进过程中顶板事故发生层出不穷。在复杂构造断层、围岩地压大、低强度和遇水膨胀引起岩层破碎等复杂地质环境的影响下，巷道顶板事故发生的比例居高不下。据统计，由巷道顶板事故引起的死亡事故比例占事故比例的40%以上，人员伤亡比例占井下事故伤亡总人数的50%以上，可见巷道顶板事故问题的棘手性和迫切程度。由此可见，对巷道顶板事故产生机理进行分析，总结事故发生原因及规律，研究事故防治措施和对策，对于遏制顶板事故发生，保障煤矿工人人身安全和开采生产安全具有重大的意义和紧迫性。

1.顶板事故起因

顶板事故主要由巷道掘进过程中带来的矿山压力变化引起的。国内外已有大量研究对煤巷顶板事故发生机理做了一系列深刻的研究。尤小明[1]针对大断面煤巷顶板离层冒顶进行了系统的分析和研究；冯吉成[2]针对巷道不同区域复合顶板垮落问题，建立了巷道复合顶板岩层过梁结构力学模型，提出了顶板岩层失稳判别方法和冒顶隐患分级；李柱[3]通过对巷道冒顶前矿压现象进行分析，得出了顶板结构失稳的主要原因，提出了调整锚索支护参数增强顶支护结构的完整性和抵抗强度的支护理念。从上述的研究得出，煤巷掘进过程中带来的矿山压力变化会造成顶部不同程度上的形变，若顶板的质量管理不当，很有可能在山体压力增大的情况下出现垮落、断裂甚至冒顶情况，存在非常大的安全隐患。

尽管顶板事故发生的原因可以归结于矿山山体压力，但预防工作则需要考虑围岩、支护和人三方面因素。随着施工工艺和支护技术的成熟，在支护方面已经比较少出现问题。再加上人们生产安全意识的提高，对煤巷顶板事故问题愈发重视，顶板事故发生的概率已经有所下降。也就是说，预防工作的三个主体中，“支护”和“人”的因素已经得到了较大改善和改进，但顶板事故占安全事故的比例仍然居高不下，一个重要的原因就是“围岩”因素的不确定性导致的。围岩的强度关系到顶板工程的开展，在实际施工过程中，需要根据围岩的强度来决定顶板的材料和强度，达到安全性和经济性上的平衡。有学者针对某煤矿具体案例指出支护煤巷安全的首要任务是有效防治岩层组合劣质型冒顶。由此可见，预防顶板事故的发生的首要问题是了解探明对应矿山山体里的围岩地质情况，达到生产安全和经济效益两方面的平衡。

2.地质预报的含义、原理和技术

地质预报是一种根据现有地质资料对将要掘进工作面前方的地质变化情况进行预测的技术。地质预报的原理是通过对于掘进工作面前方的地质情况进行准确了解，清楚不良质体位置、大小、强度、含水量等关键信息，进行可能性分析，为后续煤巷挖凿工作提供指导，从而尽量避开地质异常断面，针对性强化或优化支护和顶板结构强度。

目前，地质预报技术已不再满足于单一的地质分析预报，而是结合了地球物理探测技术来对超前区域岩体结构进行探测预报。新出现的超前地质预报技术诸如地质雷达、瞬变电磁、激发极化等预测方法赋予了其在煤巷顶板事故防治中应用的可能性。刘斌[4]应用了三维电阻率层析成像法对矿井突水模型进行实时成像检测；李贵炳[5]通过TSP技术对隧道中的含水层、溶洞、断层等不良质体进行了预报。这些新型的地质预报技术能够为煤巷安全生产提供预报，形成预防为主的事故防治局面。

经历了数十年的发展，该技术已经在隧道工程和矿山工程等领域得到了较为成熟且广泛的应用，并且积累了较为成熟的经验[6]。随着煤矿企业对地质预报工作的重视，以及地质雷达、瞬变电磁、激发极化技术等技术的推广应用，地质预报表现出良好的超前预警作用，地质预报技术的准确率已经能够满足煤矿企业生产的需要，为避免煤巷顶板事故提供了效途径[7]。

3.地质预报应用

为了研究地质预报技术在煤巷顶板防治中的可行性和效益，本文选择了某矿区进行事故分析和防治研究。通过对某矿区发生的顶板事故进行分析，针对性提出防治措施和建议，进行工程防治实践，最后结合模拟软件进行数值验证。

（1）冒顶事故分析。在某矿区发生过的多次冒顶事故中，约有80%事故是由地质突变引起的。其中，某次冒顶事故发生了原锚索脱落的情况，在13m的冒顶总长中，最高位置离原板将近11m，面向迎头方向左侧冒顶严重。在事故后勘探发现，本次冒顶事故是由地质条件引起的，冒顶位置处于断层界面，复杂的地质条件以及交错的煤岩分布导致原有岩体破碎，使得顶板发生冒顶事故。

虽然地质界面断层是导致该冒顶事故发生的直接原因，但是如果能够通过合理准确的地质预报技术，对隐藏的不良质体进行预测预警，能够有效防治出现的冒顶事故。因此本次事故发生的根本原因，可以归结为典型的由于地质预报技术工作不到位引起的顶板事故。

（2）防治措施。经过对顶板事故来源和起因的分析，地质预报在煤巷顶板事故防治中的可行性分析，还有具体的冒顶事故分析，结合新型的地质预报技术，本文提出了基于超前地质预报技术的顶板事故防治方法。首先在煤巷掘进前使用新型地质预报技术对地层结构进行预测，避开不良质体；其次，如遇地质突变状况，采取合适的预警机制并加强支护防护，形成一套集成顶板事故预报和预警防治的综合防治体系。具体方案如下所示：

①地质资料收集。首先需要对原始的地质资料进行收集补充，对目前已有的勘探成果和宏观预测结果进行集成，形成对煤矿开采矿体的基础地质信息架构。其次是对地质情况进行实地勘探。原始资料由于年代久远以及技术落后等原因，难免出现信息错误或者缺失的情况。最后还需及时补充迎头地质编录信息，这能够直接反馈重点地段巷道围岩岩性、构造、层理、节理、涌水等情况，便形成了较为完善的地质资料信息架构。

②预报技术应用。利用新兴的物探技术或者地质雷达技术对超前不良质体进行勘探，识别断层、含水带、岩层边界等不良质体结构[8]。若存在可及时调转掘进方向或改进支护结构，建立对地质突变地段的识别与解释准则，优化反褶积技术。此外，对于预报技术提示的不良质体区域，采用钻孔窥视仪进行取材验证，进一步提高地质预报的准确性[9]。

③预防设计及监测。基于超前地质预报给出的可能存在的风险及事故可能性，设计响应的应对方案和防护措施，并结合冒顶事故现状，进行安全合理的支护铺设，多层级的预防顶板事故发生，妥善处理将风险降至最低，将安全生产损失降至最小。

（3）地质预报系统实践。为了预防冒顶事故的再次发生，并且检验超前地质预报系统的应用效果，将上述综合防治体系实践于某矿区的煤巷工程实践中，对工程5条平巷进行施工指导。首先，经过已收集齐全的地质资料信息架构进行分析，标示出重点区段，然后利用地质信息编录对平巷地质情况进行补充，经过分析确定出重点区段进行预报，如图1所示。同时，在标示预报重点区段时应留有空间上的余量。

图1 三维推演结果示意图

为了使物探技术设备能够有效发挥作用并进行不良质体预测，在煤巷掘进至300m时开始使用物探设备进行探测。当煤巷掘进至343m时，顶板围岩破碎程度加剧，顶板压力变大，掘进留顶困难，网兜现象明显。据此可以推测迎头已进入断层影响区，因此使用地质雷达进行超前岩体探测。探测结果显示，该处存在断层构造，为煤岩的岩心交界面，并且与F3断层属于同一断面。

而在超前探孔预报结果中，距离迎头10.2m处存在煤转岩断面结构，与地质雷达中推测的结果相符合，综合地质信息架构系统预报和地质雷达与超前探孔等物探技术测试结果，可以推断：该处岩性为煤转岩，由正断层下降盘穿越至上升盘，断层断距为5～6m，与之前出现过的冒顶事故中的岩层情况类似。

（4）改进支护方案设计模拟。通过分析上述得到的信息，针对性的对原支护方案进行改进调整。由于正断层的存在，巷道由断层下降盘穿越至上升盘，导致支护压力需求变大，而顶部的煤层变厚，容易造成顶板破碎程度加深，更容易出现冒顶事故。因此需要对原支护方案进行强度上的改进。具体方案如下：根据高预应力强力支护理论，结合现场围岩的强度结构情况，决定加强强力锚索直径以提高承受应力；并且增设锚索结构，加大顶板护表面积，使得上方煤层的压力应力更好的传导至巷道两侧，为顶板从完好到冒顶过程留有充足压力余量。

同时对支护方案的改进效果与原方案进行模拟验证对比。基于地质资料，利用FLAC3D数值模拟软件，建立煤巷与岩体模型，如图2所示。模型设置了固定边界条件，其中水平方向上采用约束位移，数值为0；而在垂直方向上，在岩体上部的200m厚度的岩层重力作为主要考量，根据勘探的地质信息架构数据，设定岩层的平均自重为2.5kN/m3，则模型在厚度为1m的情况下上部的负载可达到12.9MPa，相当于在煤巷上方每增加1m的厚度，岩层的自重增加了12.9kN/m3。

图2 岩体数值计算模型

经过计算，两种支护方案的顶板位移和塑性区面积如表1所示。从数据中可以看出，原支护方案在断层前的顶板位移为115.6mm，断层处的顶板位移为417.3mm，经过改进后断层处的顶板位移缩小到了120.5mm。在塑性区面积上，原支护方案在断层前的面积为30.52m2，断层处的面积为42.32m2，经过改进后，断层处的塑性区面积缩小至20.11m2。为此可以得到以下结论：

表1 原支护方案与改进支护方案的模拟计算结果对比

①原先的支护方案并不能保证断层处的强度，因此需对原方案作出改进。从其顶板位移和塑性区面积可以看出，原支护方案在遇到断层问题时会发生较大的形变，承受不住较大的顶板岩层自身重力产生的压力应力。如果遇到不良质体结构，继续采用原支护方案将带来极大的安全隐患，煤巷顶板发生冒顶的可能性大大存在。

②支护改进方案具有很好的改进预防效果。在出现质体断层时，从顶板位移和塑性区面积的变化对比可以看出其支护效果远远好于原支护方案，顶板下沉量、两帮移近量和塑性区面积分别是原支护方案的27.2%和43.3%，因此，在遇到质体断层时，能够提供良好的保护效果，所以当勘探出质体断层时应该立即响应预警系统，采用该改进版的支护方案。

（5）改进支护方案效果验证。上述通过模拟验证了改进支护方案的有效性，为了进一步的检验，将该支护方案应用到施工现场中，测量实际的顶板位移数据和塑性区面积大小。在实际应用中，由于巷道从断层上盘进入到下盘的结构，整体煤层位移较之前有所上移，因此煤巷的挖掘工作需要向上进行掘进。在距离断层处约5m处，开始使用上述设计的改进支护方案。结果表明，使用了支护方案之后，实际测得的顶板位移数据和塑性区面积数据均与模拟预测值接近，并且施工过程中较为顺利，未出现较大的安全隐患，施工期间也顺利的通过该断层地带，保障了工程的顺利进行。在一个月之后再度对采用改进支护方案的断层处的顶板位移和塑性区面积进行测量，结果显示并无明显的变形现象出现，说明了在改进支护方案的作用下，煤巷顶板结构趋于稳定，得到了很好的保护效果。

4.结论

针对存在的煤矿生产安全问题，本文针对煤矿事故原因进行了分析，得到了顶板事故率较大的结论。紧接着对顶板事故产生的起因进行剖析，明晰了顶板事故的主因：对煤层结构不稳定性的预防预警措施不足。针对上述问题，本文提出了一种新的煤巷顶板事故防治体系，基于地质预报的手段，构建地质信息架构，进行不良质体的预测。并从模拟和实际验证的角度出发，得到了一种应对不良质体的改进支护结构。所得结论如下：

（1）基于地质预报的煤巷顶板事故防治体系包括了地质资料收集，预报技术应用、预防设计及检测三个流程。经过模拟和工程实际的验证，表明了该地质预报防治体系具有较高的可行性及工程应用价值，同时也具有操作上的简便性和实用性。（2）本文提出的以锚索梁为主要支护结构的改进支护方案能够很好的提升支护强度，降低顶板位移和塑性区面积，这一点从计算机模拟和工程实际应用上都得到了验证，证明其可以有效的控制断层区顶板变形，防止顶板冒落。（3）本文的防治体系具有很好的应用价值和经济指标，对比起冒险补救方案所产生的费用，本文防治体系能够节省开支，同时降低事故风险。这对于追求安全生产和经济效益都有着一定的积极作用。