煤矿顶板重特大事故分析及现场实用安全技术的研究

山东煤矿安全监察局 赵日峰

    据统计，煤矿历年来发生的重特大安全事故，占全部死亡事故的39％;因此，分析重特大事故发生的原因和规律，进行现场实用安全技术研究，在管理上、技术上、装备上采取针对性的防范措施，实行重点治理和监察监控，对遏制重特大事故的发生具有十分重要意义。
1山东煤矿重特大安全事故多发专业分析(见表1)

*:表中市、县、乡镇煤矿重特大事故为1972年到2004年统计数
从表1分析，重特大事故多发专业:
(1)事故起数为:顶板占39％、水灾占27％、瓦斯占24%。
(2)死亡人数为:顶板占17％、瓦斯占40％，水灾占35 %。
2顶板重特大事故分析及现场实用管理技术措施
    山东省煤矿在1980年以前，顶板事故占60%左右，垮面、大冒顶重特大事故常有发生，究其原因，主要是“两个不清楚”:(1)对顶板来压规律不清楚;(2)对支柱性能及实际支撑能力不清楚。因此，有针对性的开展了“两测”工作:(1)进行矿山压力观测和底板比压测定，摸清采场上覆岩层运动规律和底板破坏规律;(2)对支柱检修试压和进行实际支撑能力测定。经过全省技术人员十年的艰苦努力，“两测”工作取得了巨大成绩:(1)对顶板来压规律和底板破坏规律心中有数;;(2)对支柱性能和支撑能力心中有数。在此基础上对全省煤矿主采煤层进行了顶底板分类，采取了针对性管理技术措施，进行了大量的支护改革，1990年以来，全省杜绝了大冒顶垮面特大事故，零打碎敲顶板事故大幅度下降，全省顶板事故下降30％。但是，2000年以来，全省煤矿重大顶板事故时有发生，零打碎敲顶板事故也频繁发生，顶板事故上升到占全部事故的50%左右;;2001年全省煤矿原煤死亡165人，其中，顶板事帮死亡58人，占35 % ;2002年全省煤矿原煤死亡104人，其中，顶板事故死亡53人，占51 % ;2003年全省煤矿原煤死亡97人，其中，顶板事故死亡27人，占27 .8 % ,2004年全省煤矿原煤死亡49人，其中，顶板事故死亡18人，占36 .7%。
2 .1顶板事故分析
    (1)发生时间:早班占34.8％，中班占26.1％，夜班占39.1％。夜班事故较多的原因，主要是工人休息不好，精力不集中，容易忽视工程质量;另外，矿领导夜班下井少，放松了安全管理和安全检查。
    (2)顶板条件:砂岩等坚硬顶板比较完整，容易麻痹大意，事故占全部顶板事故的53.6％;泥、碳质页岩等较碎顶板，因易发生漏冒顶事故而引起重视，因此，事故仅占6%。
    (3)发生地点:采煤面上下端头、出口是顶板事故多发地点，此处是支承压力叠加区，当前移运输机头、机尾时造成大面积空顶，加之平时支护密度小，特殊支护质量差，造成的冒顶事故占20%。
    (4)发生工序:
    ①放炮:采煤工作面放炮后或采煤机过后支护不及时，长时间大面积空顶擂煤，此时测定的顶板下沉速度是日常的3倍以上，极易发生离层冒顶，顶板事故占37%以上。
    ②回柱:采煤工作面回撤支柱，顶板活动加剧，顶板下沉速度是日常的10倍，顶板极易跟下伤人，顶板事故占32%。
    (5)支护强度低:采煤工作面90%的顶板事故是由于支柱初撑力低，底板软支柱钻底，支护强度底，造成顶板下沉、离层、冒落。
    (6)地质构造:采煤工作面因过断层，过老酮子，煤层条件、顶底板岩石性质发生变化，没有及时采取特殊支护措施，发生冒顶事故占11 .7 %。
    (7)掘进工作面:掘进放炮后的顶板下沉速度是距迎头2m以外的2倍，不使用前探梁，空顶作业，前十架棚不联锁加固，造成片帮冒顶事故。
    (8)巷道交叉点三叉门、四叉门处，支承压力叠加，空顶面积大，不使用双抬棚加强支护，造成片帮冒顶事故。
    (9)整修巷道:不先进行加固支护，不先支后回，造成片帮冒顶事故。
    (10)冲击地压:冲击地压发生主要与矿井的开采深度、煤岩物理力学性质、采掘工艺及其它诱发因素有关。山东省从1966年到2004年共发生破坏性冲击地压229次，死亡23人，重伤44人。
2 .2现场实用顶板管理技术措施
    (1)采煤工作面主要抓好“二个质量，三个环节”
    二个质量:①支柱(架)的质量，必须按规定定期检修、试压，确保零部件完好;使用木支柱，材质必须符合规定要求;②支设质量，支柱必须迎山有力，按规定支设整齐、稳固、接实顶、底板。三个环节:①泵站压力，单体液压支柱必须达18MPa，乳化液浓度1－2%;综采支架必须达30 MPa，乳化液浓度3－5%。 ②底板松软，要穿铁柱鞋，支柱钻底不得超过10cm;③每班必须进行二次(多次)补液。升柱时，若活柱一触顶即停止注液，初撑力仅达55kN/根。因此支柱注液时，活柱触顶后应继续注5s。
    (2)正确使用采煤工作面四种特殊支护
    ①端头出口支护:使用一梁三柱的四对八根长钢梁或双楔梁，必须成对、交替、迈步支护;石灰岩顶板，端头支护密度要大于工作面的支护密度;综采工作面要使用端头支架。
    ②贴帮支护:主要是支护要及时，防止机炮道顶板下沉、离层和煤壁片帮。现场实测，砂岩顶板的允许下沉值为150－200 mm，允许悬露时间为40－60 min，泥岩、碳质页岩顶板的允许下沉值为160－190 mm，允许悬露时间为30 min。
    ③切顶支护:应使用戗柱、戗棚或丛柱加强支护，尽量不使用木垛，因其抗压能力仅 120kN，抗推力仅20kN。
    必留前支护:在上下平巷的原支护下，使用两排支柱、顶梁支护，高度综采不低于1 .8m，其它不低于1 .6m;初撑力不小于50kN，超前支护范围:根据实测，砂岩顶板为30－40m,石灰岩顶板为18-25m，泥碳质页岩顶板为13－20m ,“三软煤层”为80－100m。采煤工作面后方支承压力带一般在30-50m，其剧烈影响区在8－25m,稳压区在50－130m。
    (3)重点抓好采煤工作面初次放顶
    ①从开切眼推进开始，要组织各业务部门根据现场实际，制定初次放顶特殊措施，落实责任，并抓好措施落实，实行调度牌板重点管理，直至初次放顶结束。
    ②在采煤工作面内和上下平巷设观测点，使用顶板动态仪观测超前支承压力变化情况，结合矿压显现进行综合预测预报，严防发生初次来压垮面冒顶事故。
    (4)认真做好作业规程的编制和实施
    ①抓好十个环节:规程编制、会签审批、传达学习、工人签字、工人考试、学习补考、成绩登记、现场实施、定期复查、修改补充。
    2及日寸补充十种特殊措施:初次来压、采场收尾、断层构造、开采煤柱、伪顶开采、过破碎带、过老巷道、过老空区、过冒顶区。
    (5)巷道顶板管理
    ①推广应用光爆锚喷和“三小”技术:山东省1976年开始光爆锚喷，目前已从全岩巷道发展到全煤巷道、从硬岩巷道发展到软岩巷道、从静压巷道发展到动压巷道;支护材料从锚杆到锚网、锚W钢带、锚梯形钢筋梁等并推广应用了小钻头(Φ32mm)、小锚杆((Φ27mm)、小药卷(Φ27mm乳化炸药)。
    ②巷道稳定状况及锚杆长度确定:巷道顶板为泥页岩，距迎头30m以外趋于稳定状态，其松动范围为0.5－1 .2m;巷道顶板为泥碳质页岩，松动范围为1 .2－2 .0 m;巷道顶板为石灰岩，距迎头70m以外趋于稳定，其松动范围为0.4m;巷道顶板为砂岩，距迎头10m以外趋于稳定，其松动范围为1.0-1 .2m。无论何种锚喷巷道，锚杆的锚固力均应达到20－40kN。
    ③前探梁的使用:巷道掘进迎头，除坚硬岩石、石灰岩顶板外，都必须使用前探梁;前探梁的材料有钢管、工字钢、轻型钢轨等;前探梁的种类有吊挂式，一般为木棚支架使用，常用一梁二环或一梁三环;工字钢支架一般用可调式和卡环式;拱型金属支架一般用卡栓式;锚喷支护一般用吊环式，吊环的螺母与锚杆连接。
     ④沿空送巷及留设煤柱:根据观测，采煤工作面两侧支承压力影响范围为:压力降低区为0－7m，升高区为7－30 m,所以应在采煤工作面两侧7m以内进行沿空送巷，不可在采煤工作面两侧7 - 30范围内留设护巷煤柱，如必须留设护巷煤柱，应不小于30m。
2 .3支护设计
    (1)支护设计要根据煤层地质资料，定量预计顶板运动规律和支架围岩关系，做出针对性设计。因此，正确确定支柱在采场的实际支撑能力和合理支护强度(亦俗称顶板压力)是计算合理支护密度的关键。
    ①支护设计中，支柱实际支撑能力与支柱在采场实际工作状况、增阻过程、支撑不均匀状况和采煤工作面的倾角、采高等因素有关，其计算为:
    Rt=kg×kz×kb×kh×ka×R
    式中:R－支柱额定工作压力。
        K－支柱阻力影响系数（见表1）

    ②支护强度(亦俗称顶板压力)的确定
    支护强度的确定原则应是防止顶板发生剪切、滑动、冲击、冒落，抑制顶板出现台阶下沉、破碎、离层、冲击载荷。
    可根据以下三种方法结合现场实际确定:
    A)可采用经验公式计算支护强度
    Pt＝(4－8)×h×r ( t/m²)
    式中:h－采高(m)
        r－顶岩容重( t/ m³一般为2 .5)
    B)采用现场矿压实测工作面来压最大平均支护强度
    C)可参照《山东煤矿主采煤层采煤工作面顶底板分类标准》结合本矿煤层顶底板实际条件确定支护强度。
    ③采煤工作面合理支护密度
    N＝Pt/ Rt(根/m²)
式中:Pt－支护强度(( t/ m²)
         Rt－支柱实际支撑能力((t/根)
    (2)底板控制
    据测定，底板软，支柱钻底，支撑力下降66%;如果垫木鞋，支柱压入木鞋1－2cm，支撑力下降65％；加果戴木帽，活柱顶入三分之一，支撑力下降76％。因此，必须十分重视对底板进行控制，应根据底板比压合理选择铁柱鞋，不使用木鞋和戴大木帽，防止支柱钻底。
    (3)合理控顶距选择:
    采煤工作面合理控顶距确定原则，坚硬顶板适当大些，松软破碎顶板适当小些，一般为3一4硐。
2 .4采煤工作面顶底板分类
    山东省在1997年，根据有关标准，在对大量矿压观测资料分析、研究的基础上，完成了《山东煤矿主采煤层采煤工作面顶底板分类标准》，根据山东省煤层实际条件，又重新整理成各矿区顶底板分类表，便于进行支护设计和技术管理。
    (1)直接顶稳定性的分类指标为:岩性、厚度、初次垮落步距、综合弱化常量、单向抗压强度、等效抗弯能力。
    按其稳定性分四类:不稳定、中等稳定、稳定、非常稳定。
    (2)老顶来压强度的分类指标为:岩性、厚度、初次垮落步距初次来压当量。
    按其初次来压和周期来压显现程度分四级:来压显现不明显、明显、强烈、极强。
    (3)底板稳定性分类指标为:岩性、允许底板载荷强度、允许底板刚度、允许底板单向抗压强度。
    按其抗压入程度分五类:极软、松软、较软、中硬、坚硬。
3结束语
    “祝故多藏于隐蔽，而发于人之所忽’，，只要认真总结经验，吸取教训，分析事故发生的原因和规律，采取针对性的措施，强化责任感、使命感和紧迫感，扎实有效地抓好事故多发专业的综合治理，认真落实事故隐患整改措施，超前预防，就一定能杜绝重特大事故的发生，实现煤矿生产的长治久安。