采煤工作面顶板安全管理的应用研究

2023-01-18霍新瑞

当代化工研究 2022年15期

＊霍新瑞

（汾西矿业集团高阳煤矿山西 032300）

近年来，各地区不断加大矿山安全管理力度，取得了良好的成绩。虽然管控工作获得不错的成效，不过煤矿安全形势依旧严峻，较大事故与重大事故时有发生，安全管理时刻不能放松，需不断提高安全生产管理的精细化水平，围绕事故多发位置加大安全风险的研究和控制力度，寻求最佳的管理方式，增强生产安全管理力度，构建安全保护体系。

1.顶板管理的要求

从顶板管理的角度分析，围绕以下内容做好严格控制：（1）采掘技术管理。在采掘工作面作业时，必须严格按照作业规程操作，编制安全技术措施，落实技术会审与技术交底培训。若遇到特殊条件与现场条件产生变化的情况，必须要制定专项安全技术措施，强化对生产安全的控制。（2）采煤工作面顶板管理。根据管理要求，围绕工作面支护设计与支护材料以及支护方式等，实施全面控制。做好工作面的矿压观测，掌握实时变化情况。严格遵循作业规程和要求，组织开展支护操作。对工作面安装和初次放顶以及结束等全过程，采取严格管控措施。认真落实安全保护措施，避免产生安全事故。

2.采煤工作面顶板分类及事故分类

(1)采煤工作面事故分类

在采煤区顶板事故当中，由于工作人员的疏忽会导致频繁性的出现岩块小区域脱落的情况，在整个采煤工作面也非常容易引起冒顶问题的出现，而采煤区的顶板事故之所以出现如此频繁，主要原因就是因为煤层上面有很多的岩层，这些岩层统称煤层顶板，顶板由上而下可以分为伪顶、直接顶、老顶。其中伪顶的岩层比较松软，通常会在采煤过程中和煤矿一同被采下，混搭在煤中影响到煤的质量，而直接顶具有较强的稳定性，在开展采煤工作时也是工作面的支护对象，它的支护作用从根本上影响着事物的发生概率，支护作用越好，事故发生概率越低，支护作用越差，事故发生概率就越高，同时它也是引起冒顶事故的一个重要原因，因为直接顶旋路在工作面上方一段时间之后就会出现坍塌情况，这也就是我们所常见的煤炭开采事故。老顶的主要组成成分是较为坚硬的岩石层，主要会悬浮在采空区的上方，经过一段时间之后，如果不进行细致处理也会出现垮落的情况引起较为严重的事故。在开展采煤工作的过程中，首先要明确采煤工作面顶板的分类，只有明确工作面顶板的分类后，才能够有针对性地展开支撑作用，这样才能够从根本上降低事故发生的概率，也就才能够确保采煤工作的顺利进行。

(2)采煤工作面顶板分类

由于在采煤区域中顶板的种类不同所造成的采煤工作面顶板事故也就不同常见的采煤工作面顶板事故主要可以分为以下几种；第1种，是压垮型冒顶事故，之所以会出现这类事故，主要是由于楼顶的支撑不足，虽然这一情况不常出现，但是一旦发生压垮型冒顶事故具有难以估量的破坏性，不仅会造成巨大的经济损失，而且也会威胁到采煤人员的生命安全。第2种是漏垮型冒顶事故之所以会出现这一事故的主要原因是伪顶和顶板的结构较为松散，因为二者结构非常松散，所以在支护过程中就很容易造成支护不当的问题，也就会导致有部分顶板脱落造成安全事故。第3类是推垮型冒顶事故这一事故在采煤工作初始阶段发生频率较高。第4种类型是局部延时冒顶事故，之所以会导致这一事故的主要原因，是因为整个工程的预防性较差，所以这些问题经常会被忽视，虽然相较前几种事故而言，对于整个采煤工作的影响较低，但是不可否认也会成为影响工作进度的一个重点事故，所以顶板会成为采煤工作当中的一个重点管理对象。最后一种事故类型是冲垮型冒顶事故主要是由于冲击力过大，导致所支撑的防护面支架被冲倒引起事故，这类事故出现频率非常低，但是和压垮型冒顶事故相似，一旦出现这一事故就会造成大量的人力物力损失。

3.顶板事故发生的安全影响因素

（1）地质条件影响。由于我国资源分布不均匀，所以煤层的位置并不固定，在采煤工作中也会受到地域的限制，以及地质结构的制约，在实际采煤工作当中，地质情况也是在不断变化的，很多事故出现都是因为在初期勘探时预期工作没有做好，不仅要根据地质的结构变化采取不同措施，而且对于当地的地质情况也要有明确的了解。以断层现象为例，断层现象不仅会影响采煤工作的正常发展，而且在断层当中还有断层泥，遇到水就会出现软化状况，这就会导致整个采煤工作面的稳定性降低，非常容易发生坍塌事故，如果软化程度较高还会出现岩石破碎情况，不仅妨碍顶板支护，而且也会为后续的顶板安全埋下重大的隐患。再如破碎带在采煤的过程中需要机器操作以及爆破手段，这都会在一定程度上产生震动，这些震动就会破坏当地的岩体结构，一旦岩底发生变化，这种破坏达到了标准时，岩底就会出现崩塌的情况，而且这些崩塌是没有任何预兆的，以及矿山自身的压力也会成为影响崩塌的一种因素。在煤炭开采过程中，覆岩层会发生变形情况，而产生的压力会直接透过顶板施加在工作面搭建的支架上，如果不能掌握压力的变化规律也会引起安全事故。

（2）采煤技术影响。之所以会受到采煤技术因素的影响，是因为很多私人承包的小煤矿，为了过度追求经济利益，会采用成本较低而比较落后的采煤技术，这就会影响到整个采煤工作面的安全，这种落后的采煤技术防震性比较差，所造成的震动程度也就比较高，这种高强度的震动很有可能会造成当地的岩体变化，导致坍塌情况发生。还有一点就是采煤的工作环境和工作薪酬都比较低，所以很多煤矿工人的知识水平都比较低，所以用的采煤技术比较落后，再加之安全防护意识不到位就非常容易造成安全事故，而且这种类型的安全事故主要都出现在回采作业时，因为不同的回采工序会引发不同类型的事故。例如：采煤机在作业后需要进行及时支护，如果支护工作滞后，那么在采煤工作面回柱放顶时，就会出现冒顶事故，这就会造成大量的经济损失，而且也会危害到工作人员的人身安全，再者，在炮眼放置时该如何控制药量，以及该如何明确楼顶的压力变化，这些情况如果没有处理好都会引发冒顶事故。针对这些问题相关部门一定要提高重视程度，只有从根本上解决采煤技术因素的问题，才能够确保采煤工作的有效展开，也就才能够确保采煤工作面的安全性，尤其是近年来我国经济水平不断提高，对于煤炭资源的需求量也就越来越大，如若因为采煤技术因素的影响导致出现采煤工作面顶板安全事故，不仅会引发社会各界对于政府的质疑，而且也会让那些只追求利益的私人企业逃脱法律责任。

4.采煤工作面顶板安全管理的实例分析

（1）案例概述。以某煤矿为例，有5对矿井的煤层埋深在500～1000m，煤层的厚度大约为4～26m，开采作业的条件复杂，很容易遇到瓦斯和水以及冲击地压等各类灾害，安全风险很高且治理难度大，安全生产管理任务艰巨。在生产安全管理方面，引入了新技术，提高安全管理的精细化水平，认真落实安全风险的防范和控制措施，获得不错的成效。现结合管理实践，进行具体分析。

（2）煤层顶板的概念与分类。按照从上到下的次序划分，主要为伪顶和直接顶以及老顶。其中，伪顶指的是紧贴煤层上，很容易随着开采垮落的岩层，通常厚度大约为0.3～0.5m，主要由页岩和炭质页岩等组成。直接顶的基本参数情况为：①不稳定顶板强度指数≤30；直接顶初次垮落步距≤8。②中等顶板。强度指数31～70；直接顶初次垮落步距9～18。③稳定顶板。强度指数71～120；直接顶初次垮落步距19～25。④坚硬顶板。强度指数＞120；直接顶初次垮落步距＞25。老顶指的是直接顶下部较为坚硬的岩层，主要为砂层和石灰岩等。

（3）顶板事故发生的原因分析。根据顶板事故发生的经验分析，主要原因如下：①客观因素。其一，地质构造因素。采煤工作面作业时很容易遇到褶皱和断层等地质，尤其是断层，若产生压力变化的情况，可能会造成冒顶事故。其二，矿山压力因素。采煤作业的开展，将会造成覆岩层出现变形情况，产生矿山压力，压力通过煤层顶板被传递到工作面支架上，多出现在回采工作面上下口位置，受到压力的影响，中部顶板会呈现快速下降的情况，并且初期压力与周期压力产生，使得工作面整体的稳定性受到影响，若没有做好保护措施，则会引发冒顶事故。②主观因素。首先，检查方法不合实际。通常来说，爆破发生1～2h后，可能会产生冒顶事故。在爆破波的影响下，顶板应力没有达到平衡状态，此时和母体分离的岩体受到应力持续释放影响继续活动，最终出现冒落事故。其次，采煤技术不熟练。作业人员对采用的技术掌握不足且缺乏经验，缺少对松石的形成和发展等的认识，难以精准分析稳固性。最后，方案设计不合理。由于结构参数选择不当或者回采顺序不合理，也会造成安全隐患。③支护因素。作业时若支护工作不及时或者质量不达标等，也会影响支护的效果与生产安全，因此需要做好严格控制。

（4）顶板安全管理的措施。首先，强化技术管理。为强化顶板事故的管理，防范安全风险的产生，保障煤矿生产的安全，提出严格保证技术的应用效果。对地质条件进行全面勘察与调查，掌握煤层赋存和地质构造以及顶底板岩性等具体情况，同时做好煤岩物理力学参数以及顶板监测数据等的分析，设计科学合理的支护方案，确定适宜的支护参数，完善支护设计方案，寻求更好的顶板管理办法以及手段。其次，注重现场管理。采煤工作面顶板安全管理工作的开展，必须严格落实安全生产管理制度，实施敲帮问顶制度，不可以空顶作业，配置专用的顶板离层仪，做好全面检查。保证回采工作面液压支架的初撑力达到要求，做好采掘工作面过空巷和构造以及破碎带等的检查，同时要严格把关回采工作面初次放顶与老顶来压等的管理，保证生产作业的安全。最后，要求做好监测预警。根据采煤工作面顶板作业的特点和安全管理要求，编制完善的顶板监测和矿压监测预报制度，构建智慧化监测手段，实现对生产现场人料机物等的全面控制，达到实时化监测的效果。根据采集的视频和数据信息等，进行安全生产的分析，提出优化安全管理的措施和办法，提高安全管理的水平，创造更多的效益与价值。

（5）安全管理的创新。基于推动企业安全发展的背景，贯彻绿色发展，围绕双碳目标，提出采用智能化管理模式和手段，开展试点分析，讨论智能化工作面建设的可行性。经过智能化研究与实践，已经有4对矿井实现了智能化开采。采用5G技术赋能，打造5G智慧矿区。坚持因地制宜的原则，融合了5G无线通信技术和大数据技术以及图像识别技术、4D-GIS技术等，构建高水平的智能化安全风险预警体系，强化对生产全过程的安全控制。工作面生产执行应用系统的构建，有效解决矿井生产和机电设备以及煤质管理等问题，利用数字建模和流程管理以及设备监控、智能化分析等各类手段，结合使用安全生产知识图谱，强化人、机、料、法和环的高效化管理。利用安全监测泛在感知物联网应用系统，发挥5G无线通信技术的优势，可实现煤矿感知的全连接。结合利用地下的监控系统、煤矿顶板与冲击低压监测系统等，能够实现采煤全过程的监测和实时化控制，掌握各类安全风险的潜在情况，为安全生产分析提供支持与保障。在安全管理方面，利用VR安全培训系统，发挥VR技术和虚拟仿真技术以及人工智能技术等的应用优势，实现对安全知识的深度融合，为安全教育培训和技术交底提供技术支持，提高工作的质量。除此之外，设计与施工方面，综合利用数据技术和5G数字孪生技术等，强化对安全生产全方位的管理，保障安全管理到位[1]。

5.采煤工作面顶板安全管理的优化建议

（1）编制完善的事故防治方案。从事故的类型入手，采取针对性防治措施，具体内容如下：①推垮型冒顶事故。按照顶板性质划分，主要包括冲击推垮类和复合顶板类。对于冲击类型的事故，要求做好顶板动态的监测，及时发现顶板离层问题，落实安全风险防范和应对措施[2]。与此同时，要提升支护的质量水平，强化稳定性，提高水平抵抗力。组织开展工作面支护作业，必须要保证支护的及时性，保障支架的刚度初撑力，以免顶板离层的发生。对于复合型冒顶，需对支架的质量做好控制，使用液压支架支护，并且做好复合顶板的实时化监测[3]。②压垮型冒顶事故。如果工作面产生大冒顶明显预兆，则必须立即采取措施进行处理，例如增强支护与停产观察等。若有条件则需要构建矿压观测与顶板动态监测系统，采集相应的数据信息，为工作面支护提供依据和支持。如果煤层上部存在坚硬岩层并且不轻易垮落，则可以采用强制放顶或者向顶板高压注水方法，来降低强度，达到自然垮落的效果。通过对采煤工作面顶板情况的全面调查与分析，分析可能会产生的风险，采取相应的防范与应对措施，保障生产的安全性[4]。

（2）做好现场安全管理。采煤工作面顶板安全管理要围绕现场做好严格控制，认真落实安全生产环境建设工作，配置充足的安全防护资源和设施，构建安全性较高的生产环境，保护人员的安全[5]。对现场的人员和机械设备以及材料等，引入信息化技术手段进行监测和控制，提高安全管理的覆盖度，促使安全管理目标实现。对参与作业的人员，则需要进行安全教育与技术培训，尽量消除人力资源的影响和风险，保障采煤工作面顶板管理到位。在组织开展支护作业时，必须要严格遵循设计的方案和安全管理办法，做好全面严格控制，形成完善的安全管理系统，增强顶板安全管理效益，创造更多的价值[6]。若发生安全事故，则需要立即启动应急机制，积极组织开展救援，避免出现人员伤亡的情况，保护好生命财产和资源。不断地反思采煤工作面顶板安全管理工作，分析存在的问题和不足，提出优化顶板安全管理的办法和措施，实现管理的价值与效益[7]。