李 琨

（冀中能源邢礦集團(tuán)山西古縣金谷煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

我國目前埋深1 000 m以內(nèi)的淺煤炭資源量僅有9169億t，而埋深超過1 000 m的煤炭資源量為2.86萬億t，占總量的53.34%[1]。我國煤炭資源儲量雖然豐富，儲藏量居世界第3位。近年來由于我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，導(dǎo)致煤炭被大規(guī)模的開采，所以大部分地區(qū)的淺部煤炭資源已經(jīng)接近枯竭。例如：山東、安徽、河南、河北、江蘇、黑龍江的等地區(qū)的大部分礦井已由淺部開采轉(zhuǎn)向深部開采，采深在800～1 200 m，其中江蘇有采深超過1 200 m的礦井7個，山東有采深超過1 200 m的礦井11個[2]，見圖1。另外在江西、湖南和貴州等地區(qū)也相繼出現(xiàn)個別深部開采礦井。這些表明我國的煤礦開采強(qiáng)度和深度在增加，開采深度在以每年10～25 m的速度延伸[3]。

隨著我國多數(shù)地區(qū)礦井進(jìn)入深部開采階段，在深部高地應(yīng)力、高瓦斯、高地溫、高水壓等惡劣環(huán)境下開采，勢必會造成煤與瓦斯突出、礦井突水、巷道圍巖大變形、沖擊礦壓、地?zé)釣?zāi)害[4]，其中頂板事故發(fā)生頻率最高，影響時間最長。特別是南方中小型煤礦，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層賦存條件差，實現(xiàn)智能化開采較為困難，開采不正規(guī)，更容易誘發(fā)頂板事故[5]。據(jù)統(tǒng)計煤礦中頂板事故死亡人數(shù)約占礦井全部死亡人數(shù)的36%～42%，事故比例約占總事故的40%～50%[6]，其中發(fā)生在工作面內(nèi)的端面冒頂事故占頂板事故的81.48%，發(fā)生在工作面外的占18.52%[7]，見圖2。因此，非常有必要研究深部開采下采場頂板災(zāi)害與防治，以降低礦井百萬噸死亡率，對保障深部礦井安全、高效開采煤炭資源具有重大意義。

1 深部采場頂板事故發(fā)生機(jī)理

深部煤巖體賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜，處于高地應(yīng)力和高地溫環(huán)境中，軟巖隨著開采深度的增加而增多，一些硬巖巖性發(fā)生變化，也會表現(xiàn)出大變形、強(qiáng)流變等特征[8]?；谶@樣的開采條件，極易造成深部采場頂板冒落。深部煤巖體的受力情況與淺部有很大的差異，圍巖的切向應(yīng)力集中，徑向應(yīng)力分散，在工作面后方的采空區(qū)頂拱附近產(chǎn)生1個環(huán)環(huán)向主壓應(yīng)力帶，應(yīng)力荷載主要通過類似于拱結(jié)構(gòu)作用從頂拱傳到拱腳處及空區(qū)兩側(cè)圍巖[9]。為了簡便計算，可將工作面后方的頂板、間柱和圍巖簡化一個系統(tǒng)。受力表達(dá)式見式（1），力學(xué)模型見圖3。

圖1 各省不同采深深部礦井?dāng)?shù)量[2]

圖2 近年來采場頂板事故數(shù)占比[2]

式中：S為高地應(yīng)力和上覆巖體自重的組合值，γG為上覆巖體自重荷載分項系數(shù)，gk為上覆巖體均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，γQ為高應(yīng)力荷載分項系數(shù)，qk為高應(yīng)力荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

可將系統(tǒng)內(nèi)一定厚度采空區(qū)頂板簡化為無鉸拱，見圖4，采場跨度為L，A、B為拱趾，O為等截面圓弧無鉸拱圓心[10]。

圖3 頂板受力簡圖

圖4 無鉸拱結(jié)構(gòu)模型

能量釋放造成冒落，采場頂板冒頂事故的大小取決于巖體內(nèi)能量釋放的大小。深部采場頂板巖體處于高自重應(yīng)力場和高構(gòu)造應(yīng)力場之中，在強(qiáng)大的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力作用下，巖體受到擠壓，體積和形狀發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了大量彈性變形能聚集在巖體內(nèi)和巖體周圍。俄國學(xué)者阿維爾申教授認(rèn)為,礦巖體內(nèi)的彈性能是由體積變化產(chǎn)生的體變彈性能Uv、形狀變化產(chǎn)生的形變彈性能Uf和頂板彎曲下沉產(chǎn)生彎曲彈性能Uw組成[11],即：

式中：μ為頂板巖層泊松比，E為頂板巖層彈性模量，γ為頂板巖層容重，H為采深，q為作用在巖梁上的均布載荷，J為巖梁慣性矩;L為巖梁長度。

從上式可看出能量的聚積是隨采深、采空區(qū)面積的變化而變化,即隨懸頂長度和懸頂面積的增加而增大。受采動的影響，巖體內(nèi)能量聚集到足夠大時，超過頂板巖體本身承載強(qiáng)度，彈性變形能就會突然釋放，使礦巖體破裂，造成采場冒頂[12]。

2 影響深部采場頂板事故的主要因素

在煤炭實際的開采過程中，采高、端面距、放頂步距、煤層賦存條件（煤厚、傾角、內(nèi)聚力）、支架初撐力、支護(hù)密度等均對深部采場頂板事故產(chǎn)生影響，但我們只討論其中幾個非常重要的影響因素。

2.1 圍巖性質(zhì)

在深部采場中，圍巖巖性以軟巖居多，如泥巖、凝灰?guī)r、頁巖和粉砂巖等。煤礦淺部開采中,一般認(rèn)為低圍壓下優(yōu)質(zhì)硬巖破壞僅伴有少量甚至完全沒有永久變形,不會出現(xiàn)顯著的流變現(xiàn)象,這種情況與在深部高地應(yīng)力條件下有所不同[13]。在深部高溫環(huán)境下硬巖具有較強(qiáng)的時間效應(yīng),表現(xiàn)為明顯的流變或蠕變。

深部高圍壓力學(xué)環(huán)境下，最大主應(yīng)力差增大（σ1-σ3），采場頂板巖石的變形形式由脆性向延性轉(zhuǎn)變，深部高圍壓條件下巖石的破壞往往伴隨有較大的塑性變形，變形量增大，會對上覆巖層的支點產(chǎn)生影響，出現(xiàn)支點外移的情況[14]。就會對頂板及煤壁造成不同程度上時間效應(yīng)、空間效應(yīng)以及擾動現(xiàn)象。與此同時，巖體的流變性和沖擊性也會表現(xiàn)十分突出。

2.2 采深

隨著采深的增加，殘余構(gòu)造地應(yīng)力增大，應(yīng)力集中區(qū)域?qū)⒆兇?，支撐壓力影響的范圍和?qiáng)度逐漸增大，壓力拱的直徑擴(kuò)大，采場頂板的垂直變形量增大。巖爆頻繁，巖溫逐漸增加，頂板巖石的熱膨脹性相比于淺部有明顯的增大，巖石熱損傷強(qiáng)度大，見式（7）、式（8）熱損傷材料本構(gòu)關(guān)系[15]。

式中：L為采場跨度，H為開采深度，στ為頂板巖石抗拉強(qiáng)度，γ為頂板巖石容重，α、n為相關(guān)系數(shù)。

從式中可看出，隨著開采深度的增加，頂板暴露面積變大，懸臂長度加大，采場頂板事故發(fā)生的風(fēng)險隨之增高[16]。

式中：ε為線應(yīng)變，E為無損傷狀態(tài)下的真實彈性模量，D為熱損傷變量，ET為高溫時巖石的彈性模量，σ為沒有損傷時的應(yīng)力。

其中：0≤D≤1，當(dāng)D=1時，表明巖石喪失自承載能力，完全損傷；當(dāng)D=0時，表明巖石沒有發(fā)生損傷。隨著采深的增大，D值也會增大，說明巖石的損傷程度在逐漸變得劇烈。

3 深部采場頂板事故發(fā)生前兆

3.1 直接頂垮落預(yù)兆

在采動的影響下，回采工作面上覆巖層的應(yīng)力平衡被打破，連續(xù)性遭到破壞。在開采應(yīng)力的作用下，回采工作面上方的直接頂受壓變形，出現(xiàn)裂隙，頂板發(fā)出斷裂、撞擊聲。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板裂隙增加并增大，頂板巖層中出現(xiàn)碎塊，頂板下沉量隨之增大，甚至呈臺階式下沉，產(chǎn)生離層現(xiàn)象[17]。嚴(yán)重時，遇到高應(yīng)力場，偽頂或人工假頂會直接破壞，掉落，見圖5。

圖5 直接頂預(yù)兆

3.2 煤壁片幫預(yù)兆

發(fā)生端面頂板事故前，煤壁前方出現(xiàn)支承壓力集中，使開采的煤層變得松軟。在大多數(shù)情況下，基本頂來壓時，先出現(xiàn)煤壁片幫、掉渣的現(xiàn)象，并伴有“吱吱”聲響，再出現(xiàn)端面冒頂這樣的頂板事故。煤壁的破壞形式包括剪切破壞和拉伸破壞[18]。煤壁會先在中上部出現(xiàn)層狀張裂破壞，若遇到軟煤層煤壁，則煤壁會出現(xiàn)大變形，水平位移變大，破壞范圍增大，見圖6。

圖6 煤壁預(yù)兆

3.3 支護(hù)體失穩(wěn)預(yù)兆

如工作面采用單體液壓支柱加金屬鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)頂板下沉量增大、支柱過載時，卸壓安全閥打開，活柱體下縮，下縮量可達(dá)600～800 mm[19]，并伴隨著漏油、冒油現(xiàn)象。同時金屬鉸接頂梁與頂梁之間的剛性連接斷裂，采煤面端頭出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象。當(dāng)?shù)装鍘r層松軟或底板為煤層時，支柱會大量插入或壓裂底板。

如果工作面采用液壓支架進(jìn)行支護(hù)，頂板來壓時，支柱體內(nèi)壓力增加，達(dá)到支柱安全閥的調(diào)整壓力，支架特性曲線由增阻階段進(jìn)入到t3恒阻階段，見圖7。安全閥門動作，在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線呈波浪形式的變化；隨著頂板不斷下沉，頂板壓力繼續(xù)增大，支架特性曲線進(jìn)入到t4卸載沖擊階段，此時柱體內(nèi)壓力大大超過安全閥的調(diào)整值，油缸活塞段行程急劇下降，高壓乳化液噴出，支架立柱發(fā)出“悶聲響”。遇到頂板大面積來壓，還會出現(xiàn)壓架或支架成片向一方傾覆。

圖7 支架工作特性曲線

3.4 其他預(yù)兆

采礦活動導(dǎo)致采場頂板冒裂，頂板裂隙快速發(fā)育，冒裂帶高度增加。在開采瓦斯?jié)舛却?，有突出危險趨向的煤層，冒頂前瓦斯涌出量突然增大，有時可以聞到類似蘋果的香味；對于砂質(zhì)巖層頂板,特別是中粗砂巖厚度愈大,富水性愈好，冒頂前淋水量增加。

4 深部采場頂板防控措施

4.1 提升支護(hù)質(zhì)量

1）合理支架選型。對于松散破碎頂板，以“護(hù)”為重點，選擇掩護(hù)式支架，防止漏冒型頂板事故發(fā)生；對于直接頂、老頂來壓強(qiáng)大，頂板堅硬，以“支”為重點，選擇支撐式支架，防止壓垮、沖垮型冒頂事故發(fā)生；對于復(fù)合型頂板，其冒落的高度小于采高的1.5倍，以“支與護(hù)”并重，選擇支撐掩護(hù)式支架，同時向復(fù)合頂板注入化學(xué)藥劑膠結(jié)頂板，保持頂板完整性，防止直接頂離層、抽頂，倒轉(zhuǎn)失穩(wěn)，發(fā)生推垮型冒頂事故[20]。

2）提高支架初撐力。在確定支架類型的基礎(chǔ)上，更重要的是提高支架的初撐力，使支架的初撐力完全能夠抵御直接頂?shù)闹亓Γ行П苊庵苯禹敯l(fā)生離層，降低移架后頂板下沉量[21]。

頂板下沉量：

式中：Fm為支架循環(huán)末阻力，F(xiàn)0為支架初撐力，Ld為頂梁長度，K為支架煤-底板串聯(lián)整體的抗壓縮剛度，L為循環(huán)進(jìn)尺。

從上式可以看出，當(dāng)Fm為支架額定工作阻力時，F(xiàn)0越小，頂板下沉量越大，采場頂板來壓越劇烈。故應(yīng)提高支架初撐力，支架最小初撐力由下式確定。

式中：γ為巖塊容重，h為該巖塊厚度，d為巖塊寬度，f1為巖塊與支架間摩擦系數(shù)，f為巖塊間摩擦系數(shù)，α為巖層垮落角。

一般支架初撐力為工作阻力的70%～80%較為適宜[22]。若支架初撐力較低，則不能給予采場頂板足夠的有效支承。同時采場支架的活柱可縮量應(yīng)大于或等于垮落帶或裂隙帶老頂最大下沉量。

3）縮短端面距。對于頂板破碎的機(jī)采工作面，局部冒頂經(jīng)常發(fā)生在無支護(hù)的空間內(nèi)。因此，端面距的確定對采場的穩(wěn)定性十分重要，若端面距過大，造成支護(hù)效果差，頂煤易冒落；端面距過小，割煤時達(dá)到規(guī)定的截深。對于一個確定的機(jī)采工作面，割煤機(jī)機(jī)身寬度a1，割煤機(jī)機(jī)身寬度a1，搖臂寬度a2，滾筒寬度a3，輸送機(jī)寬度b，頂梁長度s，頂梁圓銷孔中心距頂梁端頭的長度Δs，這些都是一個定值，見圖8。因此，合理安全的端面距僅由下式確定：

式（11）用來確定頂溜時，溜子前端距煤壁的距離X2。

式（12）用來確定立柱與輸送機(jī)的距離X3，只要保證導(dǎo)鏈筒與支柱間的安全間隙Δx＞50 mm，便可支設(shè)正規(guī)立柱。

式（13）用來確定端面距X1，式中Δx為導(dǎo)鏈筒與支柱間的安全間隙，s2為支柱前端距頂梁前鉸接孔的距離。當(dāng)實際截深與滾筒寬度吻合時，Δx與s2對端面距的影響較大，必須控制好。

圖8 機(jī)采工作面設(shè)備幾何尺寸配套

4）增加支護(hù)密度。確定支護(hù)密度是支護(hù)設(shè)計方案的重要部分，合理的支護(hù)密度不僅影響安全生產(chǎn)，也對生產(chǎn)效益產(chǎn)生很大的影響作用。深部礦井在安全規(guī)范允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能增加支護(hù)密度，提升支護(hù)質(zhì)量。以式（14）、（15）確定最大支護(hù)密度：

式（14）中：Ni為頂板支護(hù)密度，pi為頂板單位面積上的壓力，ps為支架工作阻力。

式（15）中：Ns為實際支護(hù)密度，n為工作面支架排數(shù)，L為控頂距，S為機(jī)組截深，a為機(jī)道寬度。

Ns＜Ni，說明支護(hù)密度達(dá)不到煤礦安全要求。Ns＞Ni10%以內(nèi)較為合理；若Ns＞Ni超過10%，說明實際支護(hù)密度過大，勞動強(qiáng)度大，不經(jīng)濟(jì)，不合理。

在深部開采中，增加支架的初撐力和支架支護(hù)的密度，縮短端面距，能充分提高支架的支護(hù)強(qiáng)度，有效發(fā)揮“支架--圍巖”系統(tǒng)支承作用，對保持深部采場穩(wěn)定性有很大的作用，從而避免采場頂板事故的發(fā)生。

4.2 加強(qiáng)特殊頂板管理

4.2.1 堅硬頂板管理

堅硬頂板是指老頂直接賦存在煤層上，無直接頂，或只有一層偽頂。這類頂板的特點是極其堅硬的整體性厚巖層能在采空區(qū)上懸露上萬平方米而不垮落，懸頂時間長。雖然工作面頂板平時下沉量及下沉速度較小，但當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離，周期來壓時，采場頂板情況迅速惡化，頂板下沉量及下沉速度急劇增加。由于采空區(qū)落差較大，嚴(yán)重時可使采場切頂跨面。

1）注水軟化頂板。采取水力壓裂技術(shù)，向堅硬頂板中打鉆孔，形成預(yù)裂縫，把高壓水注入其中，增加巖石含水量，改變其物理性質(zhì)，降低巖體力學(xué)強(qiáng)度。

2）切頂卸壓。采取頂板定向預(yù)裂切縫爆破技術(shù)，可實現(xiàn)對頂板預(yù)裂位置的精準(zhǔn)切縫，爆破后炮孔內(nèi)裂縫率高，頂板分割效果明顯，有效解決堅硬頂板懸頂問題。

4.2.2 復(fù)合頂板管理

復(fù)合頂板是指頂板中含有薄煤或碳質(zhì)頁巖等煤層頂板。復(fù)合頂板在各地區(qū)各煤礦普遍存在，復(fù)合頂板各巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，且各巖層間粘聚力較弱甚至無粘聚力。導(dǎo)致開采后，直接頂出現(xiàn)明顯的分離巖塊，直接頂極易離層和抽冒。且隨著采深增加，各巖層層間分離越不穩(wěn)定，時常發(fā)生冒頂事故。

1）嚴(yán)禁仰采，盡量實行俯偽斜開采。

2）初采時工作面不要反推。采場頂板為復(fù)合頂板時，開切眼處頂板已離層斷裂，在反推范圍初次放頂時，在原開切眼處易誘發(fā)推垮型冒頂[23]。

3）控制采高,使軟巖層冒落后能超過采高。

4）采用“棕繩+注漿”柔性加固技術(shù)有效控制煤體片幫[24]，防止煤體片幫后引起復(fù)合頂板冒落。

4.3 強(qiáng)化監(jiān)測

我們應(yīng)以預(yù)防為先，控制為主。只有進(jìn)行日常的監(jiān)測與“敲幫問頂”才能發(fā)現(xiàn)問題，才能解決采場端面冒頂?shù)膯栴}。為此，得出以下幾點認(rèn)識：

1）目前近場監(jiān)測主要是動態(tài)監(jiān)測支架下縮量和支架工作阻力，以后應(yīng)結(jié)合礦壓5G技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，檢測出頂板巖層的應(yīng)力變化，揭示采場頂板活動規(guī)律，更好的對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時根據(jù)頂板巖層的應(yīng)力變化劃分頂板動態(tài)危險區(qū)域，從而采取不同的有效措施。

2）頂板災(zāi)害雖然具有瞬間性、隱蔽性和動態(tài)性，但發(fā)生的征兆具有長期性。我們可以引入徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立與多因素分析相結(jié)合得頂板災(zāi)害預(yù)警數(shù)學(xué)模型對頂板下沉量預(yù)測，同時用微震系統(tǒng)觀測頂板斷裂位置及能量大小，精確的對工作面直接頂和老頂初次來壓預(yù)報，更好實現(xiàn)遠(yuǎn)程頂板災(zāi)害預(yù)警。

3）采用三維激光掃描技術(shù)對煤壁片幫時空演化進(jìn)行監(jiān)測，云計算片幫位移，利用計算結(jié)果標(biāo)識片幫危險區(qū)域，實現(xiàn)煤壁片幫災(zāi)害預(yù)警。

5 結(jié)語

雖然采場頂板安全事故經(jīng)常發(fā)生在煤礦作業(yè)中，造成一定程度的人員傷亡，但超過70%以上的采場頂板事故是由頂板管理不善造成的[25]，也就是說采場頂板事故是可以預(yù)防與控制的。

1）研究深部采場頂板事故發(fā)生的特殊機(jī)理及活動規(guī)律，采取有針對性的預(yù)防措施，加強(qiáng)采場頂板--圍巖結(jié)構(gòu)完整性，以此提高采場穩(wěn)定性，能大大降低采場頂板事故發(fā)生頻率。

2）探明深部礦井煤巖體賦存條件，找到影響采場穩(wěn)定性的自然誘因，其中采場圍巖巖性及煤體埋深是影響采場穩(wěn)定性的最大誘因。同時掌握采場頂板事故發(fā)生前兆，提前采取防控措施，保障采場穩(wěn)定性。

3）設(shè)計采煤方案時，重點考慮影響深部采場穩(wěn)定性的人為因素，包括：支架選型、支架初撐力、端面距、支護(hù)密度等。關(guān)鍵還要加強(qiáng)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度，杜絕工作人員違規(guī)操作，更新生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平。