苗磊

山東能源新礦集團新巨龍能源有限責任公司 山東菏澤 274918

隨著時代的快速發(fā)展，各行各業(yè)發(fā)展都受到嚴密監(jiān)督，尤其是在安全性方面。在煤礦施工過程中，由于地下開采十分復雜，再加上其他方面因素影響與制約，很容易發(fā)生頂板事故，相對于煤礦瓦斯爆炸、透水事故，頂板事故的死亡人數(shù)較少，但發(fā)生頻率高、總量大，成為煤礦開采備受關注的事故類型，且頂板事故控制難度大、點多面廣，很難有效方法，必須引起相應重視。因此，聯(lián)系實際分析對現(xiàn)階段我國煤礦頂板災害的防治與監(jiān)測監(jiān)控技術是十分必要的。

1 煤礦頂板災害的主要類型

1.1 工作面頂板災害

目前，煤礦機械化開采在全國范圍內已經(jīng)得到大面積應用-，頂板災害事故有所減少。然而，對于一些復合頂板、松軟煤層、淺埋煤層、堅硬頂板等，雖然也會運用綜合機械化設備來完成開采，但頂板災害事故仍時有發(fā)生。從災害發(fā)生的實際情況來看，大致可以分為六種主要類型：①工作面煤壁處冒頂，煤壁松軟、割煤高度過大、支架空頂距大等，都是災害發(fā)生的主要原因；②工作面出口冒頂，主要是由于盈利集中度高、設備較多，導致巷道頂板在超前支撐壓力的作用下出現(xiàn)被破壞的情況；③地質構造區(qū)局部冒頂，在這一區(qū)域內煤巖體容易破碎，當工作面穿過構造區(qū)時，破碎的煤巖會在構造應力與采動應力的作用下發(fā)生冒頂；④復合頂板推垮型冒頂，復合頂板的構成較為復雜，由不同巖性巖層組成，而巖層之間又存在弱面，中間還會夾帶煤線、軟弱巖層，容易出現(xiàn)離層下沉的情況，當下沉數(shù)量達到一定程度以后，就會出現(xiàn)冒落、斷裂，當煤層形成的傾斜角過大時，還有可能會引起大面積漏頂，支護體系也會隨之失效，引起較為嚴重的災害事故；⑤壓垮型冒頂，工作面推進方向上存在一些賣身錢、基層薄的平行構造，當支護面強度無法承受時，就會被壓垮，形成冒頂；⑥大面積冒頂，在頂板無法承受覆巖層與自身質量時，就會出現(xiàn)大面積斷裂垮落的情況，采空區(qū)域內的空氣、瓦斯會被重力壓出，產(chǎn)生較大的沖擊力，雖然從性質上來看屬于頂板災害，但是很有可能會誘發(fā)瓦斯事故，具有較大的危險性[1]。

1.2 巷道頂板災害

巷道位置也是頂板災害發(fā)生的主要區(qū)域，其中有三個部位最為容易發(fā)生事故。首先，掘進工作面，在工作面掘進破煤巖以后，頂部煤巖層會失去控制，并轉變?yōu)槠矫鎽顟B(tài)，發(fā)生泄壓破壞，若是沒有及時支護，或者支護強度不夠，就會發(fā)生冒頂。其次，巷道交岔處，由于交岔點位置存在較大斷面，巖層較為松動且范圍廣，產(chǎn)生集中應力，再加上這一位置支護十分復雜，對穩(wěn)定性、強度等都有較高要求，容易受到人為、支護體系質量等因素影響產(chǎn)生冒頂。最后，構造區(qū)巷道頂板，當其出現(xiàn)破碎或者釋放構造應力時，會發(fā)生意外下落事故，在煤礦開采、掘進時，施工人員很容易遇到一些不明構造，在沒有提前采取有效措施進行加固的情況下，就會發(fā)生這一情況，造成一定的人員傷亡情況[2]。

2 煤礦頂板災害的具體成因

煤炭是社會發(fā)展所需要應用到的主要資源，需求量較大，如何在保證安全性的前提下，提高開采效率，也成為現(xiàn)下煤炭企業(yè)關注的焦點[3]。煤礦頂板災害，是發(fā)生較為頻繁的災害事故，對企業(yè)經(jīng)濟、人員生命安全都會造成嚴重威脅，主要是由以下幾點原因所引起：①現(xiàn)下煤礦作業(yè)開采難度大，且工作量、開采規(guī)模都呈現(xiàn)不斷生生的趨勢，對地質結構造成較大影響，覆蓋層承重被嚴重破壞，導致巷道、工作面發(fā)生較為嚴重的變形，甚至出現(xiàn)斷裂，進而引起頂板災害；②在采掘工作面，如碎石破碎帶周圍的巷道挖掘、工作面，較為容易出現(xiàn)冒頂事故，若是支護作業(yè)不到位，錨桿長度、鋼網(wǎng)強度、錨噴厚度等，均無法達到相應標準，就無法起到較好的支護作用，難以創(chuàng)造安全的工作環(huán)境；③若是在煤礦開采的過程中，沒有動態(tài)掌握周期來壓規(guī)律，就盲目進行開采作業(yè)，就會對礦井本身造成較大的負面影響，當支架難以支撐巖體、地層重量時，就會引起頂板災害事故；④煤礦開采本身是一個長時間的過程，且開采具有一定的計劃性，當出現(xiàn)開采挖掘滯后、未按照實現(xiàn)計劃進度完成開采作業(yè)的情況，工作面上方的頂板懸頂時間就會明顯增加，工作面所需要承受的壓力與阻力也就相應提升，支撐力與頂板壓力若是無法均衡，就有可能出現(xiàn)頂板下沉變形、破壞等情況；⑤任何開采作業(yè)都是由人來完成的，考慮到礦井下開采的特殊性，對開采技術要求也較為嚴格，這也就使得人為操作因素，成為頂板災害的一個重要誘因，瑞思想意識不足、未按照要求進行操作、技術應用不恰當?shù)龋紩斐身敯鍨暮4]。

3 監(jiān)測監(jiān)控技術在煤礦頂板災害防治中的應用

煤礦頂板災害受自然環(huán)境、人為因素、開采作業(yè)實際情況等影響，按照相關要求，所有的開采作業(yè)活動，都必須在指定煤層賦存條件下與開采技術的支持下才能進行，但頂板災害仍然難以有效控制。這是由于開采過程本身不可控，破壞了原本地下較為穩(wěn)定的地質條件，這些變化是無法進行提前預測的，而原本的支護體系、預防措施也難以發(fā)揮作用[5]。因此，還需要采取多種技術手段，對煤礦地質情況進行有效監(jiān)測與監(jiān)控，及時調整防范措施，提高煤礦開采安全性。目前，鉆探、物探、巷探均是較為有效的地質情況勘探方式，一些大型地質變化很容易被發(fā)現(xiàn)，但一些細小的地質異常情況，很難通過常規(guī)的探測手段來進行監(jiān)測。對于圍巖、支護體應力、位移變化等的監(jiān)測，主要是利用頂板礦壓監(jiān)測方法，具有參數(shù)多、精度高、在線監(jiān)測等優(yōu)勢，大多數(shù)情況下，監(jiān)測主要是利用通訊技術，沒有將關于礦壓與頂板活動規(guī)律研究的相關知識應用其中，導致這一監(jiān)測本身缺少較強的針對性，軟件分析能力與礦壓理論不相符，主要功能是顯示、存儲、生成曲線圖等，難以動態(tài)實時分析，也無法進行精準預測[6]。為了較好的進行針對性監(jiān)測、預測，開發(fā)出了一款KJ21頂板與沖擊地壓綜合監(jiān)測系統(tǒng)，主要就是針對裁決工作面頂板致災因素進行監(jiān)測預警，在實際應用中，主要是依靠工壓力傳感器，對液壓支架工作阻力變化情況進行有效監(jiān)測，然后對支架狀態(tài)進行分析，進一步預測頂板來壓，防止出現(xiàn)工作面壓架切頂事故，巷道為止，會利用傳感器測量煤巖體應力、錨桿錨索荷載變化情況等，位移傳感器則是負責監(jiān)測頂板下沉量、離層量等各項數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)在運行過程中應用了智能化采集模式、礦壓數(shù)據(jù)智能分析模型，充分融合了專業(yè)研究領域的相關知識，使得數(shù)據(jù)監(jiān)測、災害預警更為精準，為防范措施制定提供較為詳細的參考。

4 煤礦頂板災害的有效防治措施

基于上述分析，可以了解到頂板災害具有較大的危險性，類型較多且成因復雜，在引入監(jiān)測監(jiān)控技術的基礎上，還需采取有效措施進行有效防治，具體如下：

4.1 科學評價并預警頂板危險性

為提高煤礦開采效率與安全性，煤礦企業(yè)在開始作業(yè)以前，必須對礦井的實際情況進行勘察、評估，對煤層地質有著充分了解，評估安全性，確定那些位置為主要危險區(qū)域，制定針對性預防措施。與此同時，還應當充分利用監(jiān)測監(jiān)控技術，對工作區(qū)、巷道區(qū)等的頂板地質變化情況與各項參數(shù)進行實時監(jiān)測，保證各項數(shù)據(jù)更新的及時性，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常或者發(fā)生較大變化，就會及時發(fā)出警報，并調整計劃方案，確保人員安全[7]。比如2011年4月某礦6上105-2綜放工作面開采初期，發(fā)生過多次大面積壓架事故，工作面無法正常生產(chǎn)。通過利用KJ21頂板與沖擊地壓綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)測以后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并作出預警，經(jīng)過分析了解到問題原因主要是由于支架支護強度較低，安全閥長期開啟所引起的（如圖1），進而引起壓架問題，可結合監(jiān)測預警數(shù)據(jù)，加快工作面推進速度，以提高支架強度，確保整個工作面始終處于安全工作狀態(tài)。

圖1 工作面推進速度低時壓價過程中工作阻力變化

4.2 優(yōu)化施工方案

施工開采方案是否科學，在一定程度上也會影響導頂板災害的發(fā)生概率，因此還需要從多個層面出發(fā)進行綜合考量，確認最優(yōu)施工方案，較好應對突發(fā)性地質條件變化與支護體系失效的情況發(fā)生，減少頂板事故發(fā)生概率。在施工開采方案制定時，應當以裁決工作面開采條件、頂板安全性評估數(shù)據(jù)等作為參考，詳細分析原本施工作業(yè)方案中存在的不足，以及新數(shù)據(jù)所帶來的影響，對原本的設計方案進行優(yōu)化[8]。隨著施工開采的不斷推進，頂板、地質數(shù)據(jù)都會發(fā)生一定變化，方案設計也應當進行動態(tài)調整，以防止突發(fā)性頂板災害事故發(fā)生。比如，開采區(qū)域布置與挖掘，應該進行交替調整，防止應力過于集中與動壓疊加的情況發(fā)生，提升支護處理的科學性與可靠性，制定較為嚴格的頂板災害監(jiān)測與預警制度，一旦作出危險預警，就必須對所獲取的動態(tài)信息進行分析，規(guī)避災害隱患。

4.3 加強頂板災害事故防控管理

頂板災害事故應當以預防為主，在各項管理工作中，增加防控管理所占比重，制定清晰的開采操作流程與相關規(guī)范，對災害成因進行詳細分析，盡可能避免人為因素對煤礦開采造成影響，減少不必要的安全隱患。一方面，相關技術人員必須做好詳細的地質勘察，同時對大塊巖石尺寸、位置進行標注，提前制定相關的支護管理舉措，較好應對突發(fā)性事件；另一方面，應該圍繞如何避免發(fā)生端頭冒頂事故發(fā)生提前做好預防措施，科學計算頂板版面承重壓力，且在頂部、尾部位置進行煤礦開采時，應當利用三角支架搭棚，進行較好支護，最大限度上減少頂板初始的下城里與支撐力[9]。

4.4 加強支護體系質量檢查

支護體系作為防止頂板災害發(fā)生的主要構成部分，其搭建質量將直接關系著頂板是否穩(wěn)定。為此，應該加強質量檢查，確保支護體系的強度、支撐力能夠較好滿足頂板加工需要。首先，要對支護材料進行檢查，選擇剛度較好的材料，搭建頂板支護體系，同時充分利用現(xiàn)代檢測技術與信息技術，對煤層頂板最大傾斜水平進行測算，探索生產(chǎn)采高點，避免出現(xiàn)采空區(qū)域內滑動。其次，對錨桿、錨索、錨網(wǎng)等支護方式，應注意質量檢測，完善檢測機制，對不合格的材料以及應用方式等要及時總結，并制定完善的質量監(jiān)控舉措，定期開展排查，借助現(xiàn)代信息技術等加強關聯(lián)研究和定位檢索，確保支護體系質量[10]。

5 結語

綜上所述，隨著我國現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，各種先進技術應用范圍更加廣泛。煤礦開采作為煤炭企業(yè)經(jīng)營中的重要項目，由于其開采主要在地下完成，本身具有較大難度與危險性，是各類災害事故頻繁的項目類型。其中，頂板災害發(fā)生就十分頻繁，成因較為復雜，還需煤炭企業(yè)將監(jiān)測監(jiān)控技術有效應用其中，對頂板變化進行動態(tài)觀察，然后通過科學評價并預警頂板危險性、優(yōu)化施工方案、加強頂板災害事故防控管理、加強支護體系質量檢查等方式，較好進行頂板災害防治，避免為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失，最為主要的是減少人員傷亡情況，營造安全的開采氛圍，推動行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。