大同矿区特厚煤层坚硬顶板失稳致灾研究与防控措施

孙浩杰，徐青云，赵晓渝

(山西大同大学 煤炭工程学院， 山西 大同 037003)

顶板事故是当前矿井事故的重点类型之一，在所有矿井安全事件中，顶板事件所导致的遇难人员占比都很高，严重危害着矿井的安全有效生产[1]，特别是在特厚煤层坚硬顶板条件下开采，顶板更难管理。大同矿区的塔山矿、同忻矿等矿井主要开采石炭系14～20 m特厚煤层，煤层厚度大，上覆顶板坚硬。在长期的开采过程中，学者和工程技术人员针对大同矿区坚硬顶板失稳理论以及防控措施进行了多方位的研究，取得了明显的成就[2-8]，但是顶板事故仍有发生，如大同市云冈区吴官屯村2020年的“6·12”顶板事故以及2020年大同煤矿塔山“4.14”顶板事故。煤矿顶板事故防治的形势依然严峻复杂。因此，在研读前人文献的基础上，对大同矿区坚硬顶板进行失稳分析，并提出防控措施，以进一步提高坚硬顶板的安全管理水平。

1 大同矿区坚硬顶板理论分析

采场上覆岩体的结构特征与运动形态，对采场生产工作区、工作面端头区、运输巷道区等会形成明显的矿压显现。上覆岩层随着地层的岩性、厚度及其结构的变化，而存在着不同的运动规律，同时上覆岩层的各种构造形态，也会使顶板产生各种运动特征。

大同矿区上覆岩层中存在多层坚硬顶板，导致工作面来压强烈，在工作面前后方产生强烈的动压显现。根据钱鸣高院士提出的关键层理论分析[9]，大同矿区上覆岩层中的多层坚硬顶板基本上符合关键层的定义，由此分析可以得出，大同矿区在开采过程中，低位亚关键层控制工作面的初次来压和小周期来压；容易引起工作面周期大来压的为高位亚关键层的破断；主关键层发生破断，则会产生十分强烈的矿压显现，结合复合关键层理论，它的破断必将引起工作面及工作面的前后出现强烈矿压显现、动压显现等复合矿压现象，且影响范围较大，极易引起临空巷道变形和坚硬顶板的大面积垮落，造成严重的灾害。

2 大同矿区坚硬顶板失稳分析

2.1 矿压观测分析

矿压观测分析被广泛应用到顶板稳定性的研究，于斌[2-3]对塔山矿8105工作面、8106工作面和同忻矿8104工作面、8105工作面进行对比分析，通过现场矿压观测，得出在坚硬顶板失稳前后的矿压规律，提出了大同矿区工作面顶板来压具有大小周期的现象。张宏伟[4]在研究大同矿区3-5#煤层时，通过对实际矿压测试，发现坚硬的覆岩特厚煤层采场上方出现“覆岩大结构”，并且伴随工作面的向前推进，“覆岩大结构”也在继续发展中，它的产生、发展与失稳，造成工作面矿压显现强烈。从上述研究结果可以看出，大同矿区矿压显现超前支承压力影响范围很大、工作面来压呈现大小周期现象，而且关键层断裂引起的大周期来压现象非常强烈。

2.2 模拟实验分析

在煤炭开采研究中，进行数值模拟实验分析是经常使用的一种研究方法。胡浩[5]通过UDEC数值模拟，研究同忻矿3-5#煤层开采过程中顶板的破断运动，得出工作面推进至160 m时，亚关键层下出现离层，工作面推进到200 m时，亚关键层上部部分岩层随其垮落，主关键层下出现离层，坚硬顶板经常出现大面积悬露情况。可见，大同矿区的坚硬顶板初次断裂步距和周期垮落步距均较大，容易出现坚硬顶板大面悬露的情况，一旦发生顶板大面积垮落，必然会造成煤层上方强烈的矿压显现。

3 大同矿区坚硬顶板致灾防控措施

在顶板治理中，根据实际生产情况，多种措施综合使用，才能实现生产安全高效和生产效益最大化。坚硬顶板致灾防控措施图见图1.

图1 坚硬顶板致灾防控措施图

3.1 辨识和控制事故危险源

辨识和控制事故危险源是防范煤矿顶板事故的首要工作。对采矿区域进行地质检查和测量是在进行采矿地下作业之前必做工作。将最精准的数据信息做好记录，通过所测数据分析会造成矿井发生重大安全事故的主要原因，开展地下危险评估，提出科学合理的采矿方法，并制定安全措施，就能够减少由于不合理的采矿而导致的矿井顶板事故，在保障工人生命安全的同时生产效率也会获得提升。

3.2 实施优秀技术措施

3.2.1 坚硬顶板水压致裂

实施坚硬顶板水压致裂，可以避免顶板大面积垮落造成安全灾害。大同矿区最需要注意的就是要避免坚硬顶板带来的来压强烈、动载系数大、冒落岩石块度大、顶板大面积垮落等引起的冲击地压现象。水压致裂可以实现岩梁厚度的减小、岩梁抗弯界面模量的降低，从而实现破坏顶板的完整性，进而减缓工作面的矿山压力。

王爱国、武洁[6-7]等在大同矿区应用坚硬顶板水压致裂技术，发现最重要的是顶板弱化参数的确定。顶板弱化参数涉及致裂位置、钻孔间距、注水压力的选定以及注水量和注水时间的设定。根据大同矿区的实践经验，钻孔间距一般选择30～40 m；注水压力应该不小于煤岩体的抗拉强度，但也不能过大，使得压力从开放裂缝放掉。

3.2.2 优化开采技术

优化开采技术首先就是要选择合适的开采方法，宗保东[8]在塔山煤矿四盘区的开采问题上提出，在煤层厚度4.5～7.2 m的盘区，使用大采高一次采全高的方法进行；在煤层平均厚度约10 m的盘区，适合采用大采高综放开采的方法。

为了减弱高构造应力，可以采取优化采掘布置，灵活处理开采顺序的方法，提高工作面开采的安全性。优化采掘布置就是要根据实测矿井的地应力分布特征，选择合理的工作面推进方向，合理布置工作面的回采巷道布置方向；优化开采顺序就是在开采高应力集中区下的煤层时，考虑煤体活动与应力分布的特点，在降低区域高应力集中程度后进行开采。

3.2.3 工作面支架合理选型

合理的工作面支架选型，可以保证支护强度，保证工人安全。根据特厚煤层工作面坚硬顶板结构的破断特征与工作面支架阻力的确定方法，在大同矿区的特厚煤层进行开采时，最好选择15 MN以上的高强度液压工作面支架，结合综放开采的技术条件，应该选择支撑掩护式低位放顶煤液压支架。杨胜利[10]运用中厚板理论，重点分析了支架-围岩大系统中的刚度耦合效应，对液压支架“动载荷法-刚度耦合”综合选型方法作出了创新，此方法同样适用于大同矿区坚硬顶板。

3.3 提高工作人员安全意识

提升工作人员素质，因材施教，在思想上重视顶板管理，提升事故防范意识，杜绝“三违”发生。煤矿企业应对顶板管理的负责人、施工人员、监督检查的安全员等，分层级开展煤矿顶板安全相关技术、管理及修制订的各项规定的培训，加大培训力度，提升培训成效[1,11].

3.4 实施合理的工作面管理制度

强化开采工作面的顶板管理，制定完善的规章制度，如遇过褶曲、断层等地质构造区，以及巷道交叉口、巷道刷扩区等复杂地段时，应及时更新顶板管理制度，制定完善应对措施。在作业前，将安全生产保障工作有效执行完毕后再实施采掘工作；结束作业时要把工作中心任务放到工作面管理上；结束作业后，安全员要认真仔细观察作业面的顶部荷载集中与分布状况，把切顶密梁、从柱以及大垛等具备基本支撑功能的顶板保护设施做好，以有效避免顶板由于承压过大而引发的冒顶事件。

4 结 语

运用关键层理论对大同矿区特厚煤层坚硬顶板的地质条件进行了分析，得出多层坚硬顶板基本上符合关键层属性，存在低位亚关键层、高位亚关键层和主关键层，不同层位顶板的破断起着不同的作用。通过研读大同矿区矿压观测和模拟实验的文献，得出大同矿区出现的矿压显现中，超前支承压力会形成较大的影响范围，并且工作面来压具有大小周期现象，坚硬顶板初次断裂步距和周期断裂步距较大,并提出了针对大同矿区坚硬顶板的防控措施。