王捞捞，陈俊智，张伟光
（1.新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830023；
2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116）
煤炭资源是我国经济社会发展的基础能源和重要原料。近年来，煤炭在我国能源消费结构中占比约60%[1-2]。随着我国东部煤炭资源逐渐枯竭，中部开发规模接近极限，国家提出“压缩东部、限制中部和东北、优化西部”的总体开发布局[3]，西部煤炭迎来发展机遇。国家大力倡导建设美丽中国，要求京津冀、长三角、珠三角降低煤炭消费总量，为“疆电外送”带来发展空间。新疆是我国第十四个大型煤炭基地，国家煤炭开发布局及新增消费需求加速西移为新疆煤炭工业发展提供了重要支撑[4]。新疆煤系地层多以白垩、侏罗系为主，如伊犁一矿、伊犁四矿、哈密大南湖矿区等。由于这类地层成岩年代、成岩环境、沉积过程的特殊性，煤层顶板、底板多以泥岩、页岩、泥质砂岩等弱胶结岩石为主，其物理力学特性与东部地区石炭、二叠系岩石迥异（图1），具强度低、胶结性差、易风化、对扰动敏感、遇水易泥化和崩解等特点。
图1 SEM下泥质弱胶结岩石微观结构Fig.1 Microstructure of argillaceous weakly cemented rock under SEM
如哈密能源有限公司大南湖五号矿井1802 运输顺槽顶板岩体胶结性差、强度低，含有大量高岭石、蒙脱石、伊利石等吸水性强且易风化的黏土矿物，吸水后具较强膨胀性，为典型泥质弱胶结岩层。巷道开挖过程中，泥质弱胶结顶板受工程扰动产生大量裂隙，为顶板水流动提供了通道，在水的作用下岩层胶结程度降低，颗粒间离散程度提高，导致顶板锚杆锚固性能变差，顶板失稳冒落（图2）。
图2 1802运输顺槽冒顶情况Fig.2 1802 Roof fall along the transport channel
在实践基础上，研究技术人员积累了丰富经验，对我国煤矿顶板事故特点、分类及防治技术进行了总结[5-7]，但针对弱胶结岩层下的顶板事故问题涉及较少。为解决弱胶结顶板及顶板滴淋水造成的岩体胶结性降低问题，孙利辉等研究了我国矿区弱胶结地层地域分布[8]，选取典型矿井岩石进行物理力学性能测试，得到西部区域岩石特点；
马军前等研究弱胶结地层下采动覆岩活动规律[9]，分析了开采扰动弱胶结岩石隔水性能演变；
范育青和王渭明等针对弱胶结软岩的复杂地质条件[10-11]，分析弱胶结软岩的巷道围岩应力与位移分布，揭示弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理；
王庆等将定向钻孔技术应用到巷道顶板的疏放水中并取得良好效果[12]，减少了顶板淋水带来的岩体胶结性差和强度低的问题；
刘国庆等针对软弱顶板巷道掘进速度慢及冒顶问题[13]，提出巷道快速掘进支护技术，通过优化施工工序及支护方案，将围岩的形变量控制在一定区间内，使顶板处于稳定状态。为进一步解决软弱泥岩顶板开切眼的支护问题，杨涌等提出“高强锚杆支护＋大直径锚索支护”顶板控制技术[14]，现场实践中可有效控制软弱泥岩顶板围岩变形破坏，确保巷道顶板稳定。
以上研究成果，主要是对软弱岩层巷道顶板问题及工作面顶板事故的归纳总结。针对新疆地区特殊井下顶底板条件及地表脆弱生态方面研究较少。因此，探究新疆地区条件下的顶板事故问题，提出合适的防治对策显得尤为重要。
本文对2010—2021 年间新疆煤矿事故及伤亡人数进行统计分析，顶板事故占据事故发生比率最大，其中顶板事故7 起，多为压垮型和漏垮型，即冲击地压造成的顶板大面积垮落与顶板弱胶结岩层淋水崩解漏冒，占煤矿事故的43.75%，造成人员伤亡多达71 人，占总伤亡人数的48.97%，占比达到伤亡人数的一半，一定程度上反映出当前顶板管理存在较大问题。近10 年新疆煤矿事故数量及死亡人数统计见图3。
图3 近10年新疆井工煤矿事故数量及伤亡人数统计Fig.3 Statistics of the number of accidents and casualties in Xinjiang"s coal mines in the past 10 years
近年来，新疆煤矿事故发生主要集中在顶板和瓦斯方面，造成人员伤亡最多。从近10年新疆井工煤矿顶板事故对比可知（图4），2010年以来，顶板造成伤亡人数始终无明显下降趋势，且2014年伤亡人数达最大峰值58 人。之后的4 年，顶板事故和伤亡人数明显下降，侧面说明顶板问题在一定程度上得到解决，煤矿顶板管理和技术水平有显著提高。
图4 近10年新疆井工煤矿顶板事故对比Fig.4 Comparison of roof accidents in Xinjiang underground coal mines in recent 10 years
2.1 顶板岩层失稳破坏分析
将顶板岩层看成两端固定的梁进行受力分析，岩层通常发生冒落现象，主要因顶板发生剪切破坏，巷道顶板产生最大剪应力的位置均位于巷道两端。由Mohr-Coulomb 准则可知，剪切面与最大主应力的作用线呈夹角。据上述岩层破坏特征，建立剪切破坏岩层稳定性分析模型（图5），据极限平衡条件，则：
图5 岩层稳定性分析模型Fig.5 Rock stratum stability analysis model
由于F=Ntanφ0
式中：φ0——为剪切面内摩擦角。
将式F=Ntanφ0代入式（2）中，得
从式（5）中看出，岩层发生剪切破坏主要受岩层自重、岩层的岩石内摩擦角及岩层（块）面间的摩擦角有关。当摩擦应力小于剪切应力，岩层将发生破坏，造成巷道发生冒顶事故。
2.2 矿井案例分析
2.2.1 采用淘汰工艺施工
顶板事故的发生与支护措施的不到位息息相关。由于支柱工作阻力低，未达到对顶板初步支撑作用，造成顶板移进量增大，出现工作面冒落，导致顶板事故的发生。因此，煤矿生产中应重视对顶板的支护，做好支护日常维护工作，有效控制顶板的移进量。
案例1某煤矿采煤工作面发生一起顶板事故，冒落区域为工作面全长，垮冒较严重区域为22～55 m（图6），造成10 人死亡。违规使用国家禁止的采煤方法——走向长壁单体液压支柱π型钢梁炮采放顶煤。
图6 工作面冒顶Fig.6 Roof fall of working face
2.2.2 违规放顶煤开采
煤层开采时，未按专家论证方案对小窑采空区全部充填胶体泥浆，然后启封井下封闭的+615 m45#煤层综放面，采用只推不放顶方式快速推进150 m至火区范围以外。为逃避监管，采煤中班进行架间打眼爆破和夜班进行放顶煤作业，放顶煤炮眼布置图不公开，隐患排查记录造假等多种手段隐瞒违法生产行为。
案例2某矿煤层综放开采，由于综放工作面上部存在小窑采空区，违规放顶煤开采导致顶板大面积悬顶，造成采空区顶板大面积冒落，同时涌出大量有毒有害气体，造成作业人员窒息死亡。
2.2.3 支护参数不合理
增强工作面淋水对巷道围岩稳定性的影响及此条件下“围岩-支架”平衡关系的认识。在支架顶梁没有明显变形，矿压显现不明显的情况下，忽视了淋水对巷道顶底板的软化作用，没有及时发现和有效处理金属支架初撑力不足和金属网漏顶的隐患，导致对顶板支护强度的不足。
案例3某矿井1802 运输顺槽掘进工作面发生冒顶事故。1802 运输顺槽掘进工作面迎头向外3～13 m段处于易冒落的顶板砾石层下部，围岩自承能力低；
11#工字钢金属支架支撑力不足，致顶板岩石离层；
护帮顶的金属网网孔过大；
在挖柱窝的扰动诱因下，使3～13 m支架间形成漏顶，“围岩-支架”力学平衡状态被打破，在离层大块岩石作用下支架失稳，顶梁脱落，形成漏垮型冒顶（图7）。
图7 1802运输顺槽冒顶Fig.7 1802 roof fall along the transport channel
通过以上案例分析，打破了岩层自重与岩体摩擦力之间的平衡，为保持巷道稳定性，后期需采用支护手段维持两者间的平衡，达到减少巷道及工作面冒顶事故的目的。
3.1 自然因素
新疆煤层埋深普遍较浅，煤系地层多以侏罗系为主，如准东煤田、准南煤田、和什托洛盖煤田、哈密煤田、伊犁煤田等。该类地层成岩年代、环境及沉积过程较特殊，煤层顶底板多以泥岩、页岩、泥质砂岩等弱胶结岩石为主，具强度低、胶结性差、易风化、对扰动敏感、遇水易泥化和崩解等特点，造成顶板更难控制。新疆地处亚欧大陆腹地，位于中国西北地区，为典型温带大陆性气候，昼夜温差大，干旱少雨，干旱的气候条件造成该地区地表生态非常脆弱。新疆地区煤层普遍较厚，随煤层厚度加大，巷道高度及割煤高度随之加大，煤壁片帮诱发的顶板事故增多。采用综采放顶煤的采煤方法，开采强度较大，进行井下采煤时对地表脆弱的生态造成严重破坏。
3.2 技术因素
一方面是技术人才匮乏，近年来内地相关专业技术人员来西北地区发展较少，先进的顶板管理方法及支护方法在新疆未及时推广应用；
另一方面疆内矿井与内地高校及相关的煤矿研究所等科研单位合作较少，未能及时了解和更新一些应用于煤矿的新技术。针对以上问题，一是引进内地高校该专业优秀毕业生，提供好的待遇吸引他们来祖国西北发展；
二是加强与内地高校的合作，提高新技术对矿井的应用，通过校企合作，如，企业为高校学生提供实习机会，吸引他们选择来企业工作；
三是提高矿井技术人员专业素养，邀请内地高校专家来疆开展煤矿知识讲座培训，不断提升煤矿技术人员专业水平，改善新疆技术人才匮乏现状。
3.3 其他因素
经济方面，新疆煤炭价格与内地相比普遍较低，在满足疆内用煤基础上，还通过火力发电方式进行西电东输，整体需求量较大，造成疆内一些矿井不断增大煤炭产出量，带来一系列生产安全问题，顶板事故问题频发，伤亡人数居高不下，严重影响矿井安全高效开采；
顶板管理方面，顶板事故的发生往往存在管理不到位，井下作业人员未严格按设计要求施工或施工质量差，及监测存在漏洞等引发顶板事故。因此，加强煤矿顶板管理工作迫在眉睫，应重视技术人员培训，完善监测与监督机制，督促作业人员严格按技术规范和标准要求设计施工，抓好采掘工程质量关。
4.1 顶板事故治理紧迫性
新疆地区处于干旱-半干旱区，地表多为沙漠-戈壁滩覆盖的生态脆弱区，水资源匮乏，地表植被稀少，煤层埋深较浅且上覆基岩偏薄，易受采动影响造成地表生态水的破坏及生态环境的损坏，严重制约煤炭资源安全高效开采。研究表明，减小对地表脆弱生态的采动影响，需保持隔水岩层的完整，避免地表生态水位下降；
加强顶板控制管理，减少顶板事故发生。
4.2 顶板事故有效防控对策
4.2.1 优化开采设计
煤层的赋存条件、地质构造及支护技术对顶板事故的发生起重要作用。顶板事故发生区域往往是地质构造区及支护措施的失效，因此，需深入了解采掘工作面的地质条件，通过优化开采方案设计，避免动静压力的叠加和工作面应力的集中，提前消除顶板发生灾害的条件，确定工作面采宽、采高和巷道的合理支护方式及支护强度。
4.2.2 提高支护强度
加强工作面支架阻力监测，掌握工作面来压步距及来压持续时间，合理调整支架支护阻力，使其适应顶板来压，避免因支护阻力不足导致顶板下沉及工作面压架事故。对弱胶结岩性下的巷道支护难题，通过加长锚杆锚固长度及增补锚索数量提高巷道的支护强度，后期使用离层仪监测顶板的离层状况，及时提高锚杆及锚索的预紧力，减少巷道顶板的离层冒落几率。
4.2.3 实时监测预警
设立监测站点对巷道顶板危险区域进行实时监测，主要对围岩变形、顶板离层及支护体受力状况进行监测。设定预警阈值，当位移及应力增速达到阈值时会触发报警。对工作面顶板预警，通过监测支架工作阻力，分析初撑力和来压步距，统计安全阀开启频率，时刻关注支架工作状态，防止出现工作面片帮冒顶、压架及倒架事故的发生。对巷道顶板预警，通过监测锚杆锚索受力、顶板离层量和两帮位移量等，确定巷道监测区域应力集中状况，据顶板离层及两帮允许变形的极限值，设定预警阈值，及时对可能发生的顶板事故进行预警。
4.2.4 及时解危处置
通过对顶板危险区域的监测与预警，应及时采取措施。如，对支架初撑力低引发的片帮冒顶，必须提高支架初撑力；
对安全阀时常开启，需提高支架支护的强度，加强推进速度；
对较坚硬的顶板，需对顶板进行弱化处理，减小来压步距；
对破碎顶板、构造区域，需提前对顶板进行加固；
对冲击地压巷道，不仅要对危险区域进行卸压，还需对巷道加强支护，同时做好个人防护，避免飞石伤人。
总之，减少顶板事故的发生，需重视开采设计、加强井下管理、落实基层施工质量、提高综合治理能力，做到“五个必须”：必须围绕理论和技术两个方面展开实践研究；
必须从采掘接替顺序上下功夫，从源头上避开应力集中；
必须采取避让优先、卸支同步的综合治理方法；
必须从实际条件出发，采取适宜有效的治理措施；
必须强化现场管理，保证施工质量。
（1）据近10 年新疆煤矿事故及伤亡人数统计分析，顶板事故最频发，多为压垮型与漏垮型冒顶，占煤矿总事故的43.75%，且人员伤亡率居高不下。需进一步加强顶板支护方面的投入及现场施工质量的管控。
（2）对巷道顶板岩层失稳破坏进行分析，发现巷道顶板岩层的冒落除受岩石自身性质之外，还与岩层自重和岩层面间的摩擦角有关。新疆矿区多存在弱胶结岩层，遇水易软化崩解，降低了顶板岩层间的摩擦应力。当摩擦应力小于剪切应力时，岩层易发生破坏失稳造成巷道冒顶。
（3）从新疆自然条件、技术发展和施工管理等方面分析顶板事故多发原因。对新疆煤层开采过程中顶板事故频发的难题，提出开采前期优化方案设计、开采中期提高支护强度和开采后期实时监测预警与及时解危等措施，为矿井顶板治理提供参考。
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