徐 剛，黃志增，范志忠，盧振龍，張 震，薛吉勝，王傳朋，王元杰，陳法兵，李 巖，劉前進(jìn)，李正杰，蘇 波，李春睿，張春會

（1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100014；3.河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引 言

隨著我國煤礦開采裝備、技術(shù)水平的不斷提高及安全監(jiān)管體系的日趨完善，煤礦安全事故得到有效控制，安全事故起數(shù)及死亡人數(shù)逐年下降［1-2］，百萬噸煤死亡率由改革開放初期的8.17 降至2019 年的0.083，煤礦安全形勢得到根本好轉(zhuǎn)。 然而，在各類煤礦災(zāi)害中，頂板災(zāi)害誘發(fā)因素多、易突發(fā)、難防控，仍然是制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素［3-5］。 無論是大型礦井，還是中小型煤企，都存在一定程度的頂板安全隱患，頂板災(zāi)害有效防控仍是我國煤炭行業(yè)發(fā)展需要深入探究的技術(shù)難題。

揭示頂板災(zāi)害發(fā)生特征，研究頂板活動規(guī)律是頂板災(zāi)害防控的關(guān)鍵［6-8］。 由于采動頂板覆巖內(nèi)的運動和破斷難于觀測，分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律仍是探究頂板活動特征的主要途徑。 地質(zhì)條件如煤層厚度和強度、頂板巖性、埋深、地質(zhì)構(gòu)造、地表地形及采煤方法等對工作面礦壓顯現(xiàn)有很大影響［9-10］，如煤層厚度越大，上覆巖層活動范圍越大，礦壓顯現(xiàn)越強烈。 國內(nèi)外學(xué)者對頂板災(zāi)害特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了大量深入研究，文獻(xiàn)［11-12］基于“懸臂梁-鉸接巖梁”理論和Winkler 地基理論，認(rèn)為綜放工作面大面積切頂壓架發(fā)生的原因是工作面支架初撐力和工作阻力較低，難以維系直接頂和基本頂平衡結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，進(jìn)而給出了拉破斷臨界支護(hù)強度計算公式，為綜放工作面壓架災(zāi)害預(yù)報提供一種方法。 劉文崗［13］在大量淺埋煤層頂板事故分析基礎(chǔ)上，從上覆厚土層破壞結(jié)構(gòu)，巖土層動態(tài)載荷傳遞效應(yīng)出發(fā)探究了淺埋工作面頂板災(zāi)害發(fā)生機理。 陳冬冬［14］基于理論計算、實驗室試驗、現(xiàn)場實測等方法，提出了預(yù)警頂板災(zāi)害的“一同時、兩滯后、兩區(qū)域、兩指標(biāo)、兩控制”技術(shù)方法體系，探索了晉北地區(qū)堅硬頂板條件基本頂切頂或回轉(zhuǎn)失穩(wěn)災(zāi)害的預(yù)警方法。 文獻(xiàn)［6，15-16］分析了大量現(xiàn)場礦壓數(shù)據(jù)及頂板災(zāi)害實例，提出了淺埋煤層覆巖“切落體” 結(jié)構(gòu)模型。KUANG 等［17］對關(guān)鍵層頂板的破斷和運動進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，建立了頂板破裂、運動和礦壓之間的時空關(guān)系。 文獻(xiàn)［18-20］分析了影響放頂煤開采的技術(shù)指標(biāo)，放頂煤開采圍巖的動力災(zāi)害及關(guān)鍵層位置對采動覆巖破斷特征的影響，結(jié)果表明放頂煤開采可以有效降低巷道和工作面周圍的應(yīng)力集中，降低沖擊地壓危險性。 這些研究為改善我國煤礦頂板安全提供了指導(dǎo)。

總體來看，目前我國頂板礦壓災(zāi)害研究大多集中在單一礦井或個別礦區(qū)，研究對象、研究目標(biāo)都比較單一，對不同頂板條件的礦壓災(zāi)害特征、評價指標(biāo)及評價方法等共性問題尚缺乏深入探究。 淺埋深、堅硬頂板、非堅硬頂板等不同類別頂板都可能發(fā)生冒頂、切頂壓架和大面積懸頂動載沖擊等頂板事故，但不同開采條件的頂板災(zāi)害特點及成因尚不明晰。從大量頂板事故案例，探究頂板災(zāi)害特征及致災(zāi)機制，進(jìn)而構(gòu)建相應(yīng)預(yù)警和防災(zāi)技術(shù)體系對于我國工作面頂板災(zāi)害防控具有重要意義。 從工作面頂板巖性，礦壓顯現(xiàn)特征，災(zāi)害表現(xiàn)形式等方面的統(tǒng)計分析著手，結(jié)合頂板災(zāi)害案例，研究我國回采工作面頂板災(zāi)害類型，發(fā)生條件和致災(zāi)原因，探究工作面頂板災(zāi)害全景監(jiān)測預(yù)警技術(shù)架構(gòu)和頂板災(zāi)害防治技術(shù)體系，實現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害防治。

1 工作面頂板災(zāi)害類型及致災(zāi)原因

從我國大量工作面頂板事故（表1）來看，工作面頂板災(zāi)害主要包括片幫冒頂、頂板大面積突然垮落和大面積切頂壓架3 種類型。

表1 我國近年來工作面頂板災(zāi)害案例Table 1 Cases of roof disasters of working face in recent years in China

1.1 工作面片幫冒頂及致災(zāi)原因

1.1.1 工作面片幫冒頂災(zāi)害

工作面片幫是指該區(qū)域煤壁發(fā)生破壞，煤體從煤壁緩慢或突然掉落（崩落），工作面冒頂是指支架上方和控頂區(qū)頂板發(fā)生冒落。 片幫和冒頂互相影響，一方面片幫造成空頂范圍加大，引起冒頂；另一方面，冒頂導(dǎo)致支架不接頂，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至煤壁，也易于引起片幫。 片幫、冒頂在每個回采工作面都有發(fā)生，有的工作面較為嚴(yán)重，有的工作面較輕，片幫和冒頂不一定造成頂板災(zāi)害。 工作面片幫冒頂災(zāi)害是指片幫冒頂導(dǎo)致機道滿載煤或矸石，采煤機無法割煤和刮板輸送機無法啟動，冒頂空間較大支架接頂效果差，導(dǎo)致支架倒架和無法移架，或由于片幫冒頂造成人員傷亡的。

1.1.2 工作面片幫冒頂災(zāi)害案例

某礦8303 大采高工作面煤層厚度6.50～6.80 m，平均6.63 m，煤層傾角1°～17°，平均5°，煤層節(jié)理發(fā)育。 偽頂為厚1 ～2 m 的黑色泥巖，性脆，割煤后易冒落；直接頂為厚10 m 的泥巖和石灰?guī)r互層，充填物為方解石石脈，裂隙發(fā)育，易冒落。 受如下4個方面影響導(dǎo)致工作面片幫冒頂嚴(yán)重，提前回撤：①偽頂和直接頂裂隙發(fā)育；②斷層和褶曲導(dǎo)致工作面為大角度仰采；③工作面推進(jìn)速度慢、停產(chǎn)造成頂板累計下沉量大和破碎嚴(yán)重；④部分支架工況較差。

1.1.3 工作面片幫冒頂致災(zāi)原因

工作面片幫冒頂致災(zāi)原因較多，地質(zhì)條件包括：煤巖體較軟或破碎，割煤高度較高，仰采；采煤方法包括：采煤方法選擇不合理，采高確定不合理；頂板和采煤管理包括：支架初撐力較低，支架支撐效率較低，工作面推進(jìn)速度較慢，支架不及時移架和護(hù)幫等。

1.2 工作面頂板大面積突然垮落及致災(zāi)原因

1.2.1 工作面頂板大面積突然垮落災(zāi)害

工作面頂板大面積垮落災(zāi)害特點為瞬時發(fā)生，破壞嚴(yán)重，常見如房柱式（刀柱式）采空區(qū)大面積突然垮落和長壁工作面頂板大面積突然垮落災(zāi)害［21-23］。 前者為房柱式（刀柱式）回采工作面在回采過程中或回采一段時間后，由于部分煤柱破壞，引起煤柱連鎖失穩(wěn)，導(dǎo)致較大面積的頂板突然垮落，引起颶風(fēng)，損壞工作面設(shè)備，造成人員傷亡，如圖1 所示；后者為長壁工作面在回采過程中頂板懸頂面積較大，突然垮落，形成颶風(fēng)，影響工作面正常生產(chǎn)，造成設(shè)備和人員傷亡，如圖2 所示。

圖1 房柱式采空區(qū)頂板大面積垮落示意Fig.1 Sketch of roof large-area collapse in room-column goaf

圖2 長壁工作面頂板大面積垮落示意Fig.2 Sketch of large-area collapse of roof in long wall working face

1.2.2 工作面頂板大面積突然垮落災(zāi)害案例

1）房柱式采空區(qū)大面積突然垮落災(zāi)害。 安平煤礦8117 綜放工作面，支架型號為ZF13000/23/42，回采5-1 煤層，厚度4 ～14 m，5-1 煤上部為4煤，層間距為13～37 m，4 煤為房柱式采空區(qū)。 2016年3 月23 日，8117 工作面在第2 開切眼頂板預(yù)裂爆破后，發(fā)生爆炸事故，造成20 人死亡。 造成這一頂板事故的主要原因是：頂板爆破誘發(fā)了8117 工作面和4 號煤房柱式采空區(qū)突然大面積頂板垮落，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯等有害氣體突然壓入到8117 工作面，遇到?jīng)_擊波損壞的電纜，發(fā)生瓦斯爆炸次生事故。

2）長壁工作面大面積突然垮落災(zāi)害。 鄂爾多斯準(zhǔn)旗某礦6105-2 綜放工作面，煤層厚度7 ～10 m，工作面長度為245 m，埋深200～280 m，支架型號為ZF15000/26/42；工作面頂板較硬較厚，工作面內(nèi)部鉆孔顯示，6上煤無直接頂，上覆為整體性較好的厚27.89 m 含礫粗砂巖基本頂。 工作面在初采過程中，發(fā)生多次大面積垮落，形成颶風(fēng)，影響工作面正常生產(chǎn)，造成60%支架頂梁被穿透，如圖3 所示。

圖3 長壁工作面頂板大面積垮落支架損壞Fig.3 Support damage due to large-area collapse of roof in long wall working face

1.2.3 工作面頂板大面積突然垮落致災(zāi)原因

工作面頂板大面積突然垮落的主要原因是頂板懸頂面積較大，支撐體（煤柱或支架）不能承載頂板及上覆巖層載荷，造成頂板瞬時垮落。 長壁工作面頂板突然垮落時，對支架造成沖擊，損壞支架立柱或結(jié)構(gòu)。 圖4 為某礦支架受動載沖擊后，在52 s 內(nèi)，左柱立柱壓力從34.4 MPa 增阻到55.6 MPa，右柱從43.1 MPa 增阻到54.1 MPa，增阻速率分別達(dá)到24.4 MPa/min 和12.7 MPa/min，導(dǎo)致左立柱損壞不保壓。

圖4 支架受動載沖擊立柱損壞Fig.4 Support column damage due to dynamic impact

1.3 工作面大面積切頂壓架及致災(zāi)原因

1.3.1 工作面大面積切頂壓架災(zāi)害

控頂區(qū)范圍內(nèi)（支架上方）頂板發(fā)生斷裂且失穩(wěn)，頂板及上覆巖層載荷直接作用在支架上，支架無法承載，安全閥開啟，頂板下沉導(dǎo)致無足夠空間進(jìn)行正?；夭桑?4-26］，從而引起工作面大面積切頂壓架，如圖5 所示。 工作面大面積切頂壓架與工作面頂板大面積突然垮落區(qū)別在于：前者發(fā)生過程相對較長，可能幾十分鐘或幾小時，甚至幾天，而后者是在幾分鐘或幾秒內(nèi)發(fā)生。

圖5 工作面大面積切頂壓架Fig.5 Large-area roof cutting and support crushing of working face

1.3.2 工作面大面積切頂壓架災(zāi)害案例

崔木煤礦302 綜放工作面， 支架型號為ZYF10500/21/38，開采3 號煤層，煤層平均厚度10 m，頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖、細(xì)中粒砂巖。泥巖單軸抗壓強度為2.3 ～3.6 MPa，平均3.0 MPa，砂巖單軸抗壓強度為37.2 ～47.3 MPa，平均44.3 MPa，從頂板強度來看，不屬于堅硬頂板。 工作面在回采過程中，發(fā)生5 次較大范圍的大面積切頂壓架，工作面推進(jìn)速度慢，采空區(qū)發(fā)火，封閉了工作面，損失較大。 發(fā)生大面積切頂壓架前后支架工作阻力如圖6 所示，由圖6 可知，在壓架前或壓架時，并沒有發(fā)生動載沖擊，僅安全閥持續(xù)長時間開啟。

1.3.3 工作面大面積切頂壓架致災(zāi)原因

淺埋深工作面由于基巖較薄，表土層較厚，頂板易在煤壁處斷裂，且由于基巖較薄，難以形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大面積切頂壓架［27-29］。

普通工作面大面積切頂壓架直接原因是支架上方頂板累積下沉量較大。 頂板在煤壁處易發(fā)生斷裂，斷裂后形成的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，支架無法承載頂板及上覆巖層載荷，如圖7 所示。 引起頂板累積下沉量大的直接原因包括支架額定工作阻力不足，工作面推進(jìn)速度較慢，支架工況較差（初撐力低，支架支撐效率低，支架低頭或抬頭）等。

圖6 302 工作面壓架時支架工作阻力Fig.6 Support resistance force of No.302 working face during support crushing

圖7 大面積切頂壓架發(fā)展過程Fig.7 Process of large-area roof cutting and support crushing

2 工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

從工作面頂板災(zāi)害類型及發(fā)生機制出發(fā)，結(jié)合多年頂板災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測技術(shù)實踐，提出了近、遠(yuǎn)場頂板和煤壁片幫多部位全景綜合監(jiān)測技術(shù)。 工作面頂板近、遠(yuǎn)場監(jiān)測內(nèi)容包括：應(yīng)力（煤體應(yīng)力、支架受力）、位移（超前工作面頂板位移、頂板下沉量、工作面煤壁位移）、工作面頂板斷裂位置及能量大小等［30］，監(jiān)測體系如圖8 所示。

圖8 工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測體系Fig.8 Monitoring system of roof disasters in working face

2.1 遠(yuǎn)場頂板斷裂監(jiān)測

回采過程中，工作面前方頂板發(fā)生斷裂，工作面后方頂板發(fā)生垮落。 微震監(jiān)測是利用安裝在井下或地面的振動及速度傳感器（振動頻率通常為0 ～150 Hz），獲取井下煤巖體破斷產(chǎn)生的振動波，基于各個傳感器接收的振動波P 波，使用定位算法計算煤巖體的破斷位置（震源）［31］，并計算出斷裂能量大小，從而實現(xiàn)對工作面頂板活動規(guī)律監(jiān)測，定位原理如圖9 所示。

圖9 微震監(jiān)測頂板斷裂示意Fig.9 Sketch of micro-seismic monitoring of roof fractures

利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測頂板活動，能夠確定工作面礦壓顯現(xiàn)強烈的主導(dǎo)巖層，掌握工作面頂板活動強度和范圍，如圖10 所示。 由圖10 可知，紅慶河煤礦關(guān)鍵層為距離工作面60 m、厚40 ～50 m 的粗粒砂巖，從而為預(yù)處理頂板找到了目標(biāo)巖層。

圖10 紅慶河煤礦強礦壓主導(dǎo)巖層微震事件Fig.10 Microseismic events of dominant strata leading to large mine pressure in Hongqinghe Mine

2.2 近場頂板礦壓及支架工況監(jiān)測

工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)可以實時、在線監(jiān)測液壓支架工作阻力、超前支承壓力、支架下縮量、煤柱應(yīng)力等數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支架工況，實時預(yù)警。

2.2.1 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

通過對支架工作阻力分析，可獲得工作面來壓范圍、步距、來壓持續(xù)時間、來壓時工作阻力等信息。圖11 和圖12 為利用近場工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)獲得的上灣煤礦12401 超大采高工作面支架壓力和相應(yīng)支架工作阻力曲線。

圖11 上灣煤礦12401 工作面壓力Fig.11 Mine pressure of No.12401 working face in Shangwan Mine

圖12 上灣煤礦12401 工作面支架工作阻力Fig.12 Support resistance force No.12401 working face in Shangwan Mine

2.2.2 工作面支架工況動態(tài)評價預(yù)警

支架工況評價指標(biāo)包括支架初撐力大小、安全閥開啟率、支架支撐效率、不保壓比例、支架工作阻力分布比例、動載沖擊等。 支架工況差是工作面頂板災(zāi)害的重要誘因之一，動態(tài)評價支架工況首先要及時、快速、自動識別和計算支架工況評價指標(biāo)。 本研究團(tuán)隊經(jīng)過多年研究和實踐，研究出了上述參數(shù)自動識別計算算法，整合到KJ21 頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)支架工況的自動動態(tài)評價和預(yù)警。

1）支架初撐力。 支架初撐力對抑制工作面控頂區(qū)范圍內(nèi)頂板早期下沉，維護(hù)頂板完整性，減小工作面礦壓顯現(xiàn)強度和避免頂板災(zāi)害具有重要作用。支架初撐力是升架后，立柱注液閥關(guān)閉瞬時產(chǎn)生的工作阻力。 支架初撐力是特殊的支架工作阻力，每個支架每個割煤循環(huán)產(chǎn)生一個初撐力，如圖13 所示。 支架初撐力受泵站壓力、管路損失、注液時間等因素的影響，一般要求支架實際初撐力為泵站壓力的80%以上，但由于多方面原因很多工作面支架初撐力不能滿足要求。 評價支架初撐力時需要從支架工作阻力數(shù)據(jù)中識別出初撐力，圖14 為系統(tǒng)自動識別初撐力。

圖13 支架初撐力Fig.13 Initial support force

圖14 上灣煤礦12401 工作面94 號支架初撐力識別Fig.14 Initial support force recognition of No.94 support of No.12401 working face in Shangwan Mine

在開采過程中，要求工作面實際初撐力達(dá)標(biāo)數(shù)量占比大于85%總循環(huán)數(shù)，具體為

式中：N為初撐力達(dá)標(biāo)的循環(huán)數(shù)；M為支架總循環(huán)數(shù)；F0為初撐力；Fe為額定初撐力。

2）安全閥開啟率。 支架安全閥是支架結(jié)構(gòu)件、立柱及千斤頂?shù)谋Ｗo(hù)裝置，當(dāng)頂板來壓超過支架安全閥設(shè)置值時，安全閥開啟，當(dāng)壓力小于設(shè)定值時安全閥關(guān)閉。 一定比例工作面支架安全閥開啟一段時間是正常的，但當(dāng)工作面大多數(shù)支架或某個支架安全閥長時間開啟則對工作面頂板維護(hù)不利。 從安全閥開啟角度評價支架工況有2 個方面：①安全閥開啟率，是指安全閥開啟循環(huán)數(shù)占總循環(huán)數(shù)的比例，開啟率高表明支架超負(fù)荷工作，工作面礦壓顯現(xiàn)強烈或支架額定工作阻力偏小；②安全閥實際開啟壓力是否與設(shè)計值相匹配，要求實際開啟壓力誤差小于設(shè)計值的±5%。 若實際開啟壓力大于設(shè)計值，則可能損壞立柱或支架，反之，說明支架實際支護(hù)能力小于設(shè)計值，對維護(hù)頂板不利。

圖15 為崔木煤礦302 工作面68 號支架安全閥開啟情況，68 號支架左柱安全閥開啟壓力為30 MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計值42 MPa。

圖15 崔木煤礦302 工作面68 號支架安全閥開啟Fig.15 Relief of safety valve of No.68 support of No.302 working face in Cuimu Mine

安全閥開啟具體要求如下：

研究安全閥開啟規(guī)律，開發(fā)相應(yīng)算法，對安全閥開啟壓力、關(guān)閉壓力、開啟時長進(jìn)行實時自動識別，從而實現(xiàn)對支架安全閥開啟評價和預(yù)警，如圖16所示。

圖16 自動識別61 號支架安全閥開啟結(jié)果Fig.16 Relief recognition of safety valve of No.61 support

3）立柱不保壓。 立柱不保壓是指立柱密封件、安全閥和結(jié)構(gòu)等部件損壞，在頂板壓力作用下立柱漏液，不能保壓，影響支護(hù)效果。 立柱不保壓的支架工作阻力曲線表現(xiàn)為壓力持續(xù)下降。 根據(jù)不同支架架型，分析漏液的下降梯度范圍，并進(jìn)行自動識別，從而實現(xiàn)立柱不保壓的預(yù)警。 圖17 為千樹塔礦13302 工作面90 號支架不保壓識別結(jié)果，圖中4 個循環(huán)立柱都不保壓，壓力下降梯度分別為0.61、0.71、0.74、0.52 MPa/min。 工作面回采過程中，要求不保壓立柱支架數(shù)量低于工作面支架數(shù)量的2%。

圖17 千樹塔礦13302 工作面90 號架不保壓識別結(jié)果Fig.17 No holding pressure recognition of No.90 support of No.13302 working face in Qianshuta Mine

4）支架支撐效率。 目前，兩柱掩護(hù)式支架和四柱支撐掩護(hù)式支架是回采工作面2 種主要架型。 受頂板平整度、放煤、支架工操作等因素影響，支架前后（或左右）立柱受力不相同，當(dāng)兩者相差較大時，支架支撐效率低，影響支撐效果，易發(fā)生頂板事故。支架支撐效率按下式計算：

式中：η為支撐效率；Fa和Fb分別為前柱、后柱（左柱、右柱）1 個循環(huán)內(nèi)平均實際工作阻力（Fa＞Fb），kN。

工作面回采過程中，要求兩柱式支架支撐效率高于90%（四柱式支架高于80%）的循環(huán)數(shù)占總循環(huán)數(shù)的比值不低于80%，具體為

式中：B為支架支撐效率合格循環(huán)數(shù)；K為比值，四柱式為0.8，兩柱式為0.9。

圖18 為酸刺溝煤礦6上105 工作面84 號支架工作阻力曲線，可知，前后柱受力不均衡，前柱安全閥已開啟，后柱壓力較小，支架支撐效率較低，4 個循環(huán)支撐效率最低為33%，最高僅為58%，低支撐效率是該工作面發(fā)生頂板事故的主要原因。

圖18 84 號支架工作阻力及支撐效率Fig.18 Working resistance force and efficiency of No.84 support

5）支架工作阻力分布。 支架工作阻力分布包括支架工作阻力區(qū)間占比分布和時間加權(quán)工作阻力分布。 前者為不同區(qū)間支架工作阻力占總數(shù)比例，后者考慮不同支架工作阻力時間的影響因素，其計算公式為

式中：Ft為加權(quán)工作阻力，kN；Fi為支架第i個工作阻力，kN；ti為第i個數(shù)據(jù)時刻，min；tn為總時間，mm。

式中：C為支架工作阻力合理循環(huán)數(shù)；為支架額定工作阻力，kN。

圖19 為酸刺溝煤礦6上105 工作面不同支架時間加權(quán)工作阻力分布，可知，支架工作阻力主要布分在0～9 000 kN，但超過額定工作阻力15 000 kN 的數(shù)量占比達(dá)到了3.68%，說明該工作面支架初撐力較低，但來壓時較為強烈。

圖19 6上105 工作面支架加權(quán)工作阻力分布Fig.19 Weighted resistance force distribution of supports in No.6A105 working face

2.2.3 礦壓自動分析及預(yù)警平臺

本團(tuán)隊開發(fā)了礦壓自動分析及預(yù)警平臺，實時采集工作面礦壓數(shù)據(jù)，利用以上分析方法和算法得出工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和支架工況，對頂板災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)，圖20 為研發(fā)的礦壓自動分析及預(yù)警平臺界面。 其中云圖可以全面了解一段時間（或推進(jìn)距離）內(nèi)全部支架壓力對比情況，分析來壓規(guī)律；實時柱狀圖顯示每個支架左右柱（前后柱）實時壓力大小，幾秒更新一次數(shù)據(jù)，可以掌握當(dāng)前支架壓力情況；支架工況是在每個割煤循環(huán)更新一次數(shù)據(jù)。

圖20 礦壓自動分析及預(yù)警平臺界面Fig.20 Automatic analysis and early warning platform interface of mine pressure

通過對整個工作面支架初撐力合格率、不平衡率、安全閥開啟率、支架工作阻力分布比例、不保壓率等進(jìn)行綜合分析和評價，實現(xiàn)工作面支架工況監(jiān)測預(yù)警。

2.3 煤壁片幫監(jiān)測及預(yù)警

采用三維激光掃描技術(shù)對煤壁片幫時空演化進(jìn)行觀測，實現(xiàn)煤壁片幫預(yù)警。 三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光的測量方式，快速掃描目標(biāo)，獲得點云數(shù)據(jù)，通過激光到達(dá)和返回時差計算距離，對比2 次距離，計算煤壁位移，利用計算結(jié)果標(biāo)識片幫危險區(qū)域。 圖21 為煤壁片幫三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果。

圖21 煤壁片幫掃描結(jié)果Fig.21 Rib spalling scanning results

上述近、遠(yuǎn)場頂板監(jiān)測技術(shù)和煤壁片幫監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，形成了工作面頂板災(zāi)害立體監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，研究成果已推廣應(yīng)用于納林河煤礦、崔木煤礦、葫蘆素煤礦等近百個礦井的頂板安全監(jiān)測工程中。

3 工作面頂板災(zāi)害防治技術(shù)

在前述頂板災(zāi)害類型及致災(zāi)原因研究基礎(chǔ)上，提出了工作面開采全過程的頂板災(zāi)害綜合防治技術(shù)，具體為：在工作面開采前，確定合理的采煤方法、開采參數(shù)、工作面布置及設(shè)備選型配套；在工作面開采過程中，保持支架良好工況，弱化頂板，實現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害防治。

3.1 開采前階段

針對不同煤層條件，確定合理的采煤方法、開采技術(shù)參數(shù)、工作面布置和設(shè)備選型配套方案，才能從根源上避免頂板災(zāi)害。 目前，煤層厚度3.5 m 以下，一般采用綜采技術(shù)；若煤層厚度在3.5～6.0 m，大多采用大采高綜采技術(shù)，一些破碎、受地質(zhì)構(gòu)造影響的煤層采用綜放開采，避免片幫冒頂災(zāi)害，如潞安礦區(qū)3號煤層和陽煤集團(tuán)的8 號煤層；厚度6～8 m 的煤層，采用綜放開采和大采高綜采都較為普遍。 煤層硬度大、地質(zhì)構(gòu)造條件簡單的西部地區(qū)常用大采高綜采，煤層較松軟、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的東部礦井一般采用綜放開采。 煤層厚度大于8 m 一般采用綜放開采。

另外，要根據(jù)頂板條件、礦井產(chǎn)量、煤層厚度及硬度、地質(zhì)構(gòu)造、煤層間距確定合理的工作面參數(shù)，如工作面傾向長度、割煤高度、采放比、回采速度、截深等參數(shù)，以及合理的設(shè)備型號和參數(shù)，如支架架型和工作阻力等。 這些參數(shù)都是影響工作面礦壓顯現(xiàn)和頂板災(zāi)害的因素。

3.2 開采中階段

3.2.1 保持支架良好的工況

良好的支架工況能保證支架有良好的支護(hù)性能，減少頂板下沉量和煤壁位移，防止工作面煤壁片幫、煤壁處頂板斷裂和失穩(wěn)，這是解決各類頂板事故的必要技術(shù)措施。 良好的支架工況包括：較高的初撐力、較低的安全閥開啟率、較低的不平衡率、較低的不保壓率、合理的工作阻力分布比例。

另外，為避免大面積切頂壓架災(zāi)害，還需要加快工作面推進(jìn)速度，減少頂板下沉量，促使工作面頂板在采空區(qū)斷裂和失穩(wěn)，防止發(fā)生在煤壁處。

3.2.2 頂板預(yù)處理

堅硬頂板是煤層上方基本頂厚度大于10 m、整體性較好、且抗壓強度在60 MPa 以上的頂板。 當(dāng)工作面頂板為堅硬頂板時，為了避免頂板大面積突然垮落，在工作面回采前對頂板進(jìn)行弱化處理，使堅硬頂板開采前產(chǎn)生大量裂隙，在工作面回采時有序垮落，減少頂板懸頂面積。 目前，頂板弱化手段主要包括深孔爆破和水力壓裂，水力壓裂還可細(xì)分為淺孔壓裂和深孔壓裂。

1）深孔爆破。 深孔爆破弱化頂板原理為：炸藥在巖石內(nèi)部爆炸時，產(chǎn)生由內(nèi)至外的粉碎區(qū)和裂隙區(qū)，破壞堅硬頂板完整性，弱化頂板。 目前，一般礦井工作面初采時在開切眼內(nèi)進(jìn)行爆破弱化，在開切眼內(nèi)布置1～2 排爆破鉆孔，炮孔直徑為60～90 mm，炮孔距離為3 ～8 m，炮孔處理高度為3 倍左右采高或直接處理堅硬頂板，如圖22 所示。

圖22 頂板處理高度及炮孔布置Fig.22 Roof treatment height and blasting hole layout

2）淺孔壓裂。 水力壓裂技術(shù)可以有效提高堅硬巖層的裂隙發(fā)育程度，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，弱化煤巖體的強度和完整性，促使巖體及時垮落。 目前該技術(shù)在煤炭領(lǐng)域正得到大范圍的推廣使用。 淺孔壓裂泵泵壓一般為60 MPa 左右，流量可達(dá)80 L/min，壓裂孔深度在80 m 范圍內(nèi)，壓裂壓力一般在20～40 MPa，壓裂系統(tǒng)如圖23 所示，配合開槽鉆頭或高壓水射流可實現(xiàn)定向開槽、壓裂。

圖23 水力壓裂示意Fig.23 Sketch of hydraulic fracture

3）深孔壓裂。 深孔水力壓裂可實現(xiàn)堅硬頂板采區(qū)級的壓裂弱化，將堅硬頂板層改造為多層多段的軟弱層，避免采空區(qū)大面積懸頂和頂板事故，減少礦壓顯現(xiàn)強度。 壓裂孔深度可達(dá)800 m，其中水平孔深度400～650 m，壓裂泵流量0.3～1.5 m3/min。

4 結(jié) 論

1）我國回采工作面頂板災(zāi)害長期影響工作面安全開采，因其影響因素多，防控難度大，須從頂板災(zāi)害發(fā)生特征、開采地質(zhì)條件、采場圍巖活動規(guī)律等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，科學(xué)建立監(jiān)測預(yù)警及防治技術(shù)體系。

2）依據(jù)頂板災(zāi)害案例統(tǒng)計分析，我國回采工作面頂板災(zāi)害主要存在片幫冒頂、頂板大面積突然垮落和大面積切頂壓架3 種類型，應(yīng)掌握其不同的致災(zāi)原因，采取針對性的防治措施。

3）基于回采工作面頂板致災(zāi)機制，建立了采場圍巖“遠(yuǎn)場頂板活動監(jiān)測（微震監(jiān)測系統(tǒng)）-近場頂板活動監(jiān)測（礦壓監(jiān)測系統(tǒng)）-片幫冒頂監(jiān)測（三維激光掃描）-監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析”的全景監(jiān)測預(yù)警架構(gòu)，實現(xiàn)對頂板災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測預(yù)警。

4）結(jié)合我國回采工作面頂板災(zāi)害防治實踐，提出了以工作面采前科學(xué)設(shè)計采煤方法、開采參數(shù)、工作面布置方式、設(shè)備選型配套，采中保持支架良好工況并輔以弱化頂板技術(shù)的開采全過程頂板災(zāi)害綜合防治技術(shù)。