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煤巷冒顶事故成因,以及如何预防

2019-01-15

  据新华社消息,1月12日18时许,陕西省神木市百吉矿业李家沟煤矿发生井下冒顶事故。据最新消息,被困井下的21人全部遇难。


  李家沟煤矿位于陕西省神木市东北部,地貌单元属黄土丘陵沟壑区,按形态和成因分类,区内地貌可分为两大类,黄土梁峁区及沟谷区,其中以黄土梁峁区为主。由于遭受长期的风化剥蚀,煤层与基岩在沟谷中见有出露。矿井设计可采储量为17.78 Mt,矿井设计生产能力为0.9 Mt/a,矿区采用平硐开拓方式,全矿区划分为一个水平,水平标高+1 185 m,全区可采煤层只有1层即5-1煤。


  李家沟煤矿属于神府矿区的一部分,区内地面广泛覆盖着现代风积砂及第四系黄土层、新近系红土层,属半掩盖区。李家沟煤矿地质构造简单,总体趋势为一个倾角小于1°,缓缓向西倾斜的单斜构造。煤矿前期勘探及后期采掘生产过程中未发现断层,也无岩浆活动的迹象,但煤矿生产中揭露区内冲刷带发育,煤层遭侵入剥蚀。


  巷道顶板灾害是我国煤矿各类灾害中发生频率最高和死亡人数最多的灾害,顶板支护安全是控制煤矿安全生产的重点。长期以来,国内外学者在巷道冒顶成因方面做了大量工作。


  国内方面:(1)根据GSM分类方法,可将巷道冒顶成因分为3类: ①与自然地质因素有关的G 型冒顶; ②与支护因素有关S 型冒顶; ③与采掘技术因素有关M 型冒顶。(2)张恩强等总结分析冒顶事故,将煤巷冒顶原因分为4 类: 未( 及时) 支护冒顶、顶板整体失稳塌垮冒顶、支护材料与顶板变形不协调导致冒顶、支护形式与支护参数设计不合理导致冒顶。(3)贾明魁等通过在现场18 个矿井调研统计和文献查阅冒顶事故162 起,分析冒顶原因,将冒顶原因分成4 个大类、12 个亚类,分别为岩层组合劣化型、岩层结构缺陷型、应力突变型和施工不良型。


  国外学者对巷道冒顶原因进行的研究:(1)帕特里克等依据巷道冒顶几何形分了4 类: 半球形冒顶、拱形冒顶、小块体冒顶、脱层冒顶。(2)美国学者韦尔依据印第安纳州特殊地区地质条件将巷道冒顶分为6 类: 页岩成碎屑或潮解冒顶、砂岩凸起冒顶、结核冒顶、煤柱片帮导致冒顶、黏土类冒顶、大块体冒顶。


  然而,岩体经过漫长的地质历史发展,受多种因素影响如成因作用和构造运动等使岩体结构多样性,而巷道存在于这样的岩体环境中,在不同的岩体环境下,巷道冒顶机理、冒顶高度、危害程度、破坏体特征、冒顶区几何形态等也不同。


  龙岩连城煤矿发生一起巷道顶板巨石坠落事故,地下深110 m巨石埋压2 名工人,塌落巨石长约4.5 m,宽约2.5 m,高约2 m,质量约5 t。保德煤矿在回采过程中,巷道发生1 起冒顶事故,冒顶形态呈蝶叶形,顶板破坏深度不对称,此类巷道冒顶事故常伴有支护体的破坏失效,巷道蝶叶冒顶形态素描。在断层附近岩体节理裂隙非常发育、岩体松散破碎的巷道附近某矿发生一起冒顶事故,冒落体积85 m3,冒顶规模长×宽×高为5.7 m×4.3 m×3.0 m,冒顶形态似呈近似自然拱,冒顶区的锚杆全部掉落。


  煤巷冒顶事故分类


  中国矿业大学(北京)马念杰教授课题组基于近200 起煤巷冒顶事故,从围岩体客观存在的力学性质和结构特征角度,系统研究了巷道典型冒顶事故与围岩体环境之间关系,提出了以煤巷冒顶控制为目标的新的冒顶成因分类标准及方法和相应的支护对策。


  (1)裂隙围岩体巷道顶板局部块体坠落型冒顶事故


  岩体受多种因素影响造成围岩体内裂隙增加,而巷道围岩体被这些裂隙分割成具有不同几何形状和不同尺度的块体,当巷道开挖后,巷道局部块体暴露在邻空面上,使某些块体沿结构面滑移、失稳坠落。


  在调研的巷道冒顶事故中,巷道横向方向上块体坠落时有发生,一般是小块体坠落,块体坠落高度不超过锚杆长度,而巷道纵向上块体坠落偶尔也会发生,一般则是大块体坠落,巷道纵向块体事故危险程度高、冒顶规模大,损毁后果严重。


  (2)弱黏结层状围岩体巷道复合顶板垮落型冒顶


  煤系地层具有明显的层状岩体结构特征,受不同沉积环境和地质运动的影响,巷道开挖后,顶板条件复杂多样,甚至同一条巷道的顶板岩层条件都会发生较大变化。


  在调研的巷道顶板事故中,层状复合顶板巷道冒顶事故占巷道冒顶事故总数的绝大部分,冒顶原因主要是顶板岩层间的组合劣化所致,即软岩变厚、硬岩变薄或出现软弱夹层等组合,造成锚杆( 索) 长度不能适应顶板岩层组合劣化后的高度,导致巷道个别地段发生冒顶事故。


  (3)蝶形塑性区碎裂围岩体巷道顶板冒落型冒顶


  在水平应力与垂直应力相差较大的构造应力区、高支撑压力集中区和断层等附近,原岩应力场常为双向不等压应力场,侧压系数一般不等于1,尤其是采动条件下,巷道围岩双向应力的比值随着采动影响而发生改变,围岩塑性区不再是圆形和椭圆形塑性区分布,巷道围岩会出现一种像蝴蝶形状的塑性区,简称蝶形塑性区。


  当巷道围岩载荷方向发生变化时,会使巷道围岩塑性区发生旋转,致使巷道围岩产生不对称破坏,顶板破坏深度一侧明显大于另一侧,载荷方向变化会使蝶形塑性区的翼角部分出现在巷道顶板上方,容易产生冒顶,对巷道的维护极为不利。


  (4)松散围岩体巷道顶板漏冒型冒顶


  在调研的巷道冒顶事故中,还有相当一部分发生在断层附近,主要包括:小断层附近松散破碎顶板支护不当引起的冒顶以及隐含小断层支护不当导致松散破碎顶板冒顶事故。


  煤巷冒顶控制技术体系


  针对煤巷顶板关键块体坠落、层状复合顶板垮落、蝶形塑性区碎裂顶板冒落和松散顶板漏冒特点,以煤巷冒顶成因为基础分类,提出了冒顶控制技术体系:普通锚杆控制局部块体坠落、常规锚索控制小变形层状复合顶板垮落、专用锚索控制大变形蝶形塑性区碎裂顶板冒落、联合支护控制特殊条件顶板漏冒。


  该支护对策可较好地控制煤巷冒顶事故,具体支护对策如下:使用普通锚杆可以有效控制由节理裂隙等弱面切割产生的局部块体坠落。使用普通锚索能够有效防止小变形巷道的弱黏结层状复合顶板的梁式垮落。对于大变形蝶形塑性区碎裂顶板巷道,采用普通锚索支护时经常发生破断,需要使用具备变形性能的专用锚杆和锚索。在地质破碎带、松散软弱岩层中的巷道,必须采用专门措施,极破碎处巷道可以采用注浆加固措施。



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  责任编辑:宫在芹
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