掘进工作面过保护层切断线冒顶事故原因分析及对策
1 工作面概况
峰峰集团公司大淑村矿172104工作面开采二叠系山西组2号煤（俗名大煤），煤厚4.6～5.8m，倾角5°～15°，走向长880m，倾斜宽140m。顶夹石距顶板0.4～0.6m，厚0.5～1.0m，底夹石距底板1.6m，厚0.1m。直接顶为粉砂岩，厚4.0m，老顶为细砂岩，厚4.0～20m，直接底为粉砂岩，厚10.0m。采用轻型支架放顶煤采煤法，一次采全高。
172104掘进工作面溜子道、运料巷、均摸2号煤底板掘进。支护采用U25型钢。两巷掘进断面12m2。
172104工作面下部的174104野青保护层工作面已回采。由于174104野青保护层工作面地质条件复杂、断层多，回采期间丢下2块煤柱。见图1。
图1
2 问题的提出
172104工作面是在其下部174104野青保护层工作面回采后才进行巷道掘进的。2004年6月22日，172104工作面溜子道报刊到保护层断线（“切断线”：随回采工作面推进，直接顶、老顶悬露的跨度不断增长，其挠度增加，煤壁内的支承压力也随着增长，直到直接顶、老顶达到极限跨度时，沿煤壁或煤壁内发生破断，所形成的不规则破断面在铅直平面上的投影线）处，掘进工作面发生冒顶事故。冒落范围（平均）高3.5m、长5.5m、宽5m，冒落体积约为96.25m3。同时，冒顶期间瓦斯涌出量明显增加。该掘进工作面供风量784m3/min，冒顶前，风流中正常瓦斯浓度为0.3％，瓦斯涌出量为2.35 m3/min ，冒顶时风流中瓦斯浓度为0.8％，瓦斯涌出量达6.27 m3/min ，是正常涌出量的2.67倍。
2004年6月24日，172104运料巷掘至保护层切断线以时4m处，掘进工作面发生冒顶事故，冒落范围（平均）高1.7m，宽2.5m，长2m，冒落体积为8.5 m3，同时，冒顶期间，瓦斯涌出量剧增。该掘进工作面供风量592 m3/min，冒顶前风流中正常瓦斯浓度为0.6％，瓦斯涌出量为3.6 m3/min，冒顶期间风流中瓦斯浓度达3.5％，瓦斯涌出量为20.72 m3/min，是正常涌出量的5076倍。
在上述2个掘进工作面过保护层切断线施工过程中，我们十分谨慎，都是在掘进工作面距切断线20m前就采取了打排放钻孔的防卸压措施。发生冒顶前，掘进工作面都施工了10个深9m、孔径Φ89mm的排放卸压钻孔，经效果检验。测得的突出危险性指标都在《防治煤与瓦斯突出细则》规定的临界值以下，采用同样的措施，在此之前的两巷掘进过程中没有出现过冒顶及瓦斯涌出异常现象。
为什么172104溜子道及运料巷2个掘进工作面过保护层切断线时，在施工了排放卸压孔、并经过效果检验突出危险性指标不超标的情况下，还发生了冒顶事故呢？而且还伴随着有瓦斯涌出异常现象呢？
3 冒顶及瓦斯涌出异常原因分析
3.1 2次冒顶事故的共同特点
（1）2个掘进工作面都是从受到保护的区域向未保护区域推进；（2）事故都发生在保护层工作面切断线附近；（3）冒顶前，掘进工作面附近煤体出现连续的煤炮声响；（4）冒顶时，瓦斯涌出量明显增大；（5）2个掘进工作面均采用综掘机掘进，掘进前都施工了10个深9m、孔径Φ89mm的排放卸压钻孔。打排放卸压钻孔时，瓦斯涌出量比以往增大。打完排放钻孔后，经效果检验，突出危险性指标在《防治煤与瓦斯突出细则》规定的临界值以下。冒顶时，2个掘进工作面都保持有5m以上的排放瓦斯卸压钻孔前超前距和2m以上的效果检验孔超前距。
3.2 冒顶原因及瓦斯涌出异常分析
（1）由于172104工作面下部的解放层工作面174104工作面在开采过程中留下2块未采煤住，形成2个孤岛和半孤岛形煤柱。孤岛形煤柱受几个方向集中应力的叠加作用，形成应力集中区。孤岛煤柱上的集中应力区不仅对本煤层采掘有影响，而且对其上部的170104工作面，也造成局部集中应力区。由于开掘巷道，破坏了原岩应力，在开掘工作面区。由于开掘巷道，破坏了原岩应力，在开掘工作面的前方地应力变化较大，形成了一定的高应力区。这样2个集中应力区相互叠加，形成了更高的应力集中区。
（2）煤体的透气性与周围的应力关系较大。作用在煤体上的压应力越大，煤体的透气性就越小，因为在压力的作用上，煤体受压变形，煤体内的孔隙逐渐闭合，瓦斯运移的通道也相应减少。由于本矿大煤煤体强度低，在压力的作用下，煤体内的孔隙通道更容易闭合，煤体的透气性会急剧降低，瓦斯渗流非常困难，这样为瓦斯聚集创造了条件。在这一范围形成了瓦斯压力增高区。
（3）煤体在集中应力的作用下，发生搓揉和破碎，煤体的强度大大降低，煤体极易发生流冒。这2个掘进工作面均采用ESMB－75A型综掘机掘进。虽然减少了爆破震动影响，但在实际掘进过程中揭露到这一瓦斯高压带，发现煤层搓揉明显，煤体松软。尽管迎头得到及时支护，但煤体在揭露几个小时后，煤体内的应力作用开始显现，并且受到风化影响，煤体以粉状和小块状从架间、架前流出。在高应力作用下，支架逐渐变形，尽管对空顶部分进行了背顶和支架的加固工作，但在强大的瓦斯释放能的作用下，出现了支架被推倒和冒顶事故。由于冒顶，煤体内的应力下降，透气性系数大大增加，大量的瓦斯得以释放。
综上分析，笔者认为上述2个掘进工作面发生冒顶事故的原因是：瓦斯与掘进工作面前方集中应力共同作用的结果。瓦斯来源于本煤层，而集中应力则是保护层切断线附近的“残余应力”（保护层切断线附近的“残余应力”实质上就是保护层采空区前方的集中应力）与本煤层掘进工作面前方集中应力的叠加。
通过对上述2次事故的反复思考和分析，认为导致事故发生的主要因素就是保护层工作面切断线附近的“残余应力”。当掘进工作面前方无切断线（或地质构造）时，煤层瓦斯的释放通道处于最佳状态，随着掘进工作面的推进，在其前方会形成一个相应较宽的卸压带，经打排放瓦斯卸压钻孔，煤层瓦斯能够充分释放，因此，冒顶很难发生，瓦斯涌出量相对较小。当掘进工作面前方的瓦斯卸压带推进到野青保护层切断线附近后，由于切断线附近存在“残余应力”，煤层受挤压变形，掘进工作面前方煤层中的瓦斯已不可能再随工作面的推进正常释放，在工作面前方逐渐聚起了1个较高的瓦斯压力梯度。虽然在掘进过程中打了10个排放瓦斯卸压钻孔，但由于煤层受“残余应力”作用，透气性相对降低，钻孔瓦斯排放半径相对减小，在钻孔之间和钻孔以外的部位，煤体瓦斯仍不能得以有效释放，当瓦斯压力和地应力的作用超出了煤体的承受能力时，就发生垮塌冒落，进而发展为冒顶事故，煤体中瓦斯释放造成掘进工作面瓦斯涌出量突然增大。
4 如何防止类似事故发生
掘进工作面过切断线出现冒顶事故的概率较正常地段高是大家所公认的，掘进工作面由受保护区向未保护区推进，瓦斯涌出量增大，也在情理之中。那么172104溜子道和运料巷2个掘进工作面掘进至保护层切断线附近发生冒顶和瓦斯异常涌出就不可避免吗？回答是肯定的。
通过以上分析得知，172104溜子道和运料巷掘进工作面推进到保护层切断线附近发生冒顶，并伴随瓦斯涌出异常，是因为切断线附近存在“残余应力”，这种“残余应力”阻碍和影响了掘进工作面前方煤体瓦斯的释放。今后遇到类似情况，如果不采取有效的预防措施，不但冒顶事故难以避免，而且，当瓦斯积聚的范围和压力达到一定程度时，还有可能造成煤与瓦斯突出事故的发生。
采取有效措施，使掘进工作面前方“残余应力”和煤体瓦斯得到充分释放，就可以防止类似事故发生。
经过反复研究论证，我们在大煤掘进工作面过保护层切断线掘进过程中，当掘进工作面距切断线20m时，就实施打排放瓦斯卸压钻孔措施，排放卸压钻孔数量由正常掘进时的10个增加到30个，每个钻孔深9m，孔径Φ89mm；再掘进工作面前方向两帮煤体内打10个深30m、Φ42mm的排放卸压钻孔，两帮钻孔要伸入到巷道轮廓线以外5m。由于钻孔数量增多，深度加大，控制范围加宽，掘进工作面前方煤体瓦斯有了较好的释放通道，特别是掘进工作面较远处煤体内的瓦斯能够提前和较长时间地排放。这样一来，切断线附近媒体瓦斯充分释放后，失去支撑力，“残余应力”也随之得以释放。掘进工作面向前推进时，就可以避免冒顶及煤与瓦斯突出事故的发生。
172104运料巷掘进工作面过里段保护层切断线掘进期间，我们严格按照以上措施施工，掘进工作面顺利通过切断线；在172104回采工作面过保护层切断线时，除正常施工排放瓦斯卸压钻孔外，在工作面推进到距切断线附近10m处，沿工作面每5m打1个深30m、孔径Φ42mm的排放瓦斯卸压钻孔，工作面也顺利地推过了保护层切断线，实现了安全生产。