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采煤工作面顶板控制分析与事故防治

一、引言

随着我国经济、技术的迅速发展，对能源的需求日益增大，煤炭工业一直是我国国民经济的支柱产业，而煤矿事故对人们来说却是一个非常繁重的话题。

顶板事故是煤矿“五大灾害〞之一，回采工作面顶板事故发生比较频繁，人员伤亡率一直较高。据统计，回采工作面百万吨死亡率中，顶板事故约占67%。如不对顶板加以及时、合理、有效的控制和管理，就有可能影响“安全生产〞，造成严重后果。

导致回采工作面冒顶事故的直接原因是回采工作面上覆岩层受采动影响而使应力重新分布，失去了原有的应力平衡，这就导致了部分区域出现应力集中，当上覆岩层施加于下部岩层的载荷达到极限载荷时，岩层发生断裂而垮落。

随着采煤技术的不断提升，理论方法的不断完善和成熟，近年来，顶板事故率有所下降，但其危害仍然很庞大，顶板事故在煤矿生产过程中不应被忽视。按事故发生地点统计排在前三位的是：采煤工作面〔63.18%〕、掘进工作面〔12.55%〕、巷道〔13.81%〕。

因此，准确掌握矿压显现规律，建立一套合理、有效的顶板管理制度是非常必要的。

〔一〕影响回采工作面矿山压力显现的主要原因

影响回采工作面矿山压力的主要因素是围岩性质，地质因素是成煤过程中自然形成的，是不可改变的。在生产过程中，只能适应和运用其特性服务生产。

〔1〕岩石力学性质

实际观测说明，岩石的力学性质对矿山压力显现起关键性作用。由于岩石自身的密度、矿物成分、颗粒大小等的不同，不同岩石或同一种岩石的强度各异。测定说明，顶板岩石强度越高，矿压显现越显然。

〔2〕开采深度

开采深度直接影响着原岩应力的大小，对巷道矿山压力显现的影响可能比较显然，特别是有煤岩特别矿井，这是一般规律。如在松软岩层中开掘巷道，随着深度的增加，巷道围岩的“挤、压、鼓〞现象比较显然。

但开采深度对回采工作面顶板压力大小的影响并不特别，因而对矿山压力显现的影响也不显然，特别是对顶板下沉量的影响。在目前的技术条件下，开采深度可达600～800m，实际测定说明，采深对工作面顶板下沉量无直接影响。例如比利时的彼丘尔煤矿，开采深度已达1415m，工作面采纳工作助力为350kN的金属支柱，仍然可以将顶板管理得很好。

(3)煤层倾角

煤层倾角对回采工作面矿山压力显现的影响比较大，实际观测说明，煤层倾角越大，顶板下沉量越小。也就是说，近水平工作面的顶板下沉量要比倾斜、急倾斜工作面大得多。

〔4〕断层、裂隙等

一般来说，断层、裂隙较发育的岩层都比较破碎，这直接影响了岩层的强度。这样的顶板非常容易垮落，从而释放了部分矿山压力，使其得以缓和。

开采技术因素是人为因素，也就是说，可以通过一定的技术手段控制和改变矿压显现，这对顶板的控制和管理很有意义。

〔1〕巷道的布置

在矿井的建设、开采过程中，必定破坏了围岩原有的应力平衡，使其重新分布。因此，合理的选择巷道位置对矿山压力显现是很重要的。假设巷道开掘在原岩应力区，则巷道受压小，易于维护；假设开掘在支撑压力影响区，巷道受压则比较大。

2〔2〕支护方法

在巷道开掘后，巷道围岩与支架共同承当着上覆岩层所施加的载荷，也就是“支架-围岩〞互相作用关系。

经验说明，支架稳定性好，矿压显现则不显然；支架稳定性越差，矿压显现越显然。

〔3〕工作面推动速度

工作面推动速度越快，顶板下沉量越小，顶板下沉速度加剧，矿压显现越显然。例如，前苏联某工作面推动速度由3.5m/d上升到13.5m/d，顶板下沉速度增加了一倍，同时也消除了部分下沉量。采高越高，工作面矿压显现越显然；采高越低，工作面矿压显现越缓和。依据淮南矿区的测定，在开采单一煤层或厚煤层第一分层时，采高与冒落带和裂缝带的总厚度成正比关系。

二关键层对岩层移动的的影响

众所周知，由于煤系地层的分层特性差异，因而各岩层在岩体活动中的作用是不同的。有些坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体与骨架作用；有些较为软弱的薄岩层在岩层活动中只起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承当。因而，我们把在岩体活动中起主要控制作用的岩层称之为关键层。于是，关键层的定义可做如下表述：在采场覆岩层中存在多个岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层。关键层判别的主要依据是其变形和破断特征，在关键层破断时，其上部全部岩层或局部岩层的下沉变形是互相协调一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。也就是说，关键层的断裂将导致全部或相当部分的上部岩层产生整体运动。显然，关键层的断裂步距即为上部岩体部分或全部岩层的断裂步距，从而引起显