影响煤矿顶板事故的地质因素
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摘要：煤矿顶板事故是煤矿发生频率最高、死亡人数最多的伤害事故，为有效预防煤矿顶板事故，本文分析了煤层顶底板岩性组合、地质构造、节理和裂隙、煤层赋存特征及地下水等地质因素对煤矿顶板事故的影响，论述了较典型的煤矿复合顶板推垮型冒顶、倾向断层压垮型冒顶和漏垮型冒顶发生的原因及预防措施。
关键词：煤矿；煤层顶板；顶板事故；地质因素；影响
中图分类号：TD1 文献标识码：A 文章编号：1672-3198(2011)03-0295-02
由于煤矿生产环境的特殊性，煤矿企业伤亡人数占国内工业死亡人数的60％以上，煤矿企业事故原因较多，究其根本原因是人們对煤矿企业生产的环境条件认识不足，致使相应的法律制度无法健全、管理方法不能完善、技术手段难以提高。为充分发挥人们的主观能动性，适应地质规律，本文浅析影响煤矿顶板事故的地质因素。
国营重点煤矿中，顶板事故死亡人数占全部死亡人数的40-45％，而工作面顶板事故占顶板事故的70％左右。保证工作面不发生冒顶事故的直接维护对象是直接顶，老顶岩层断裂引起的老顶岩块失稳(滑落失稳、变形失稳)也是通过直接顶对支架施加作用力，大部分顶板事故是直接顶本身失稳引起的；直接顶内裂隙发育情况、离层状态及老顶岩块回转对直接顶应力状态均有影响。
1、直接顶的分类和老顶的分级
对直接顶分类是为了反应控制直接顶的难易程度。直接顶分类的主要指标是直接顶强度指数(D)，由于强度指数在井下较难测定，而用直接顶初次垮落步距作为直接顶分类的参考指标。
强度指数： D＝10Rc×C1×C2
其中：R2——岩石单向抗压强度，MN/m2；
C1——节理裂隙间距影响系数；
C2——岩石分层厚度影响系数。
袁庄煤矿31煤层直接顶Rc一般为15.2-60MN/m2，直接顶节理裂隙间距I为0.3-0.5m，对应的系数C1为0.37，顶板岩石分层厚度h为0.3-0.4m，对应的系数C2为0.28，直接顶强度指数D为15.7-62.2。因此，该矿直接顶属于不稳定到中等稳定顶板，直接顶初次垮落步距一般为6-15米；稳定和坚硬的直接顶较少见。
老顶的分级主要反映老顶来压时的强度显现分级的指标为N(直接顶厚∑h与采高M的比值)和老顶周期来压步距L。
袁庄煤矿31煤直接顶厚一般为采高的1-4倍，老顶来压强度一般为不明显到明显，很少有强烈来压。
2、影响顶板事故的地质因素
2.1煤层顶板岩性及岩层组合
由于沉积环境的变化，造成煤层顶板岩性不稳定，顶板中经常含有煤线和炭质泥岩，形成复合顶板(见图1)。典型的复合顶板有下列特征：①顶板由下“软”上“硬”不同岩性的岩层组成，②“软”“硬”岩层间夹有煤线或薄层软岩③下部“软”岩可以为一个整层或几个分层，总厚一般为0.5-3.0m。
开采复合顶板煤层，工作面易发生冒顶事故，冒顶类型多为推垮型冒顶，发生复合顶板推垮型冒顶必须同时具备以下几个条件：①离层。有软弱面(煤线)，即煤体开采后，顶板滑面产生，复合顶板软硬岩层下沉不一致，软岩离层，脱离顶板。②由于地质构造、巷道布置等原因，下部软岩中断裂出一个六面体。③去路。与六面体相邻的某一部分已冒空、采空或复合顶板下部软岩尖灭。④倾角。由于倾角较大，离层后的六面体向下方产生具大推力，六面体向自由空间的推力大于阻力，六面体滑动推垮支架而发生冒顶事故(见图2)。
袁庄煤矿Ⅲ3145工作面1999年1月2次垮面，都是由于支撑力不够，顶板破碎，局部漏空，使上覆岩体形成游离六面体，而造成推垮工作面。
复合顶板推垮型冒顶多发生在顶板较软地段、地质破碎带、构造尖灭处、倾角较大时、顶板淋水地段、开切眼附近、老巷处、掘进破坏复合顶板地点、局部冒顶处和工作面仰采时。预防复合顶板推垮型冒顶发生的根本措施就是消除形成复合顶板推垮型冒顶的条件，具体预防措施有：控制漏顶，消除岩体去路；实行炮前、回柱前、抵车回柱后“三补液”，加强支柱初撑力；在工作面材料道使一排顺山托棚，稳固支柱，增强工作阻力。以上三点，可有效控制顶板，防止复合顶推垮型冒顶的发生。
2.2断层和褶曲
断层破坏了顶板的完整性，因而断层附近易发生局部漏冒型冒顶，同时断层的存在也改变了初次放顶、初次来压和周期来压的步距。褶曲有时会改变应力分布，从而改变工作面区域顶板的受力状态，大褶曲仅只是造成煤层发生变化，对工作面顶板压力影响较小，而小褶曲可能使顶板局部破碎，易冒顶。
大断层两侧，往往伴生雁行中小断层和裂隙，基产状与主断层相近似，这些小断层赋存在煤层顶板叫顶压，在底板称底凸。顶底板中的小断层延伸至松软煤层时往往消失或断距减小，这种现象在顶底板为厚层状砂岩的工作面犹为常见。尽管小断层不影响工作面布置和回采，但在顶板岩层中产生了弱面，特别是小断层密集区段，不同倾向的两条断层可产生离层三角岩块，对顶板管理危害极大。
若直接顶不足采高的2-4倍，直接顶冒落不能填满采空区，老顶来压时，当顶板中存在平行于工作面的断层时，断层切断顶板，改变了应力分布，起不到悬梁护顶的作用，老顶回转岩块下方负荷集中的“吃劲”柱处，极易发生压垮型冒顶(见图3)。因此，遇到平行工作面的倾向断层时，应加强支护，扩大工作面控顶距，采取一些特殊的过断层措施，不得正常回柱。斜交和走向断层在工作面方向上距离短，比倾向断层安全程度好。
2.3层间滑动
岩层中应力分布的不均衡和应力差异的新平衡，产生了褶曲和断层。煤层是比较松软的岩层，它的抗压、抗拉、抗剪强度较岩层小得多，在地应力作用下容易产生变形和滑动。岩层间的位移，往往利用煤层作中介面，通过层间滑动达到应力新平衡。层滑构造使煤层滑动、揉褶是伴随岩层褶曲和断裂同时产生的一种地质现象，其影响范围可达数采区，也可仅为工作面的某一小局部。复合顶板各岩层力学性质相差悬殊，亦能随煤层发生层间滑动，泥岩可被揉成团状，粉砂岩成光亮滑面的顺层透镜体，滑面上布有擦痕和炭质薄膜，滑动强烈时可产生光滑的摩擦镜面。层滑构造使煤层顶板岩层破碎，滑面发育，原生层间结构被破坏，强度降低，层间结合松弛，容易离层脱落，管理困难。
2.4挤压带和破碎带
挤压带是煤层受挤压局部变薄或变厚的地带。工作面经过煤层变薄带，由于顶板岩层下压，极易离层和破裂，并可能发生顶板短时急剧下沉，易冒顶。
破碎带是指岩石和煤层突然破碎的地带。破碎带往往与挤压因素有关，也可能自然生成，工作面经过破碎带将给顶板管理带来许多困难。
2.5节理和裂隙
由于原生或地质构造影响，无论煤层还是顶板岩层中，均存在大量的节理和裂隙，煤层顶板中的多组交叉裂隙将顶板切成各种形状具有光滑破裂面的离散孤立岩块，爆破落煤后，如支护不及时，极易发生局部冒顶和片帮。在煤层倾角较大时，如支护性能较差，可在无任何预兆的情况下，顶板突然冒落，造成大面积漏垮型冒顶。
2.6煤层倾角
随着煤层倾角增加，顶板下沉量将逐渐减小。由于倾角增大，采空区顶板冒落的矸石不一定留在原地，很可能沿着底板滑移，从而改变上覆岩层的运动规律(见图4)。在同样的条件下，采用沿倾斜向下推进的倾斜长壁工作面(俯采)，由于顶板内部存在指向煤壁的压力，易在上覆岩石中形成对工作面的高压结构。
2.7“不稳定岩块”
“不稳定岩块”是指断层三角块、同生结核和砂岩包裹体等。存在于煤层顶板的这些岩块因原生沉积或构造原因生成，岩块与围岩结合很差，又破坏了煤层顶板的原生结合力，工作面回柱放顶时岩块不能及时垮落，局部老塘空顶，支柱受力不均，当回收“吃劲”柱时，岩块会突然垮落，造成冒顶事故。
2.8煤层厚度和采高
采高是影响上覆岩层破坏状况的因素之一，煤层越厚，采出的空间越大，必然导致采场上覆岩层破坏越严重；采高越高，在同样位置的老顶取得平衡的机率越小，在支承压力作用下，工作面煤壁也越不稳定，易于片帮。
2.9开采深度
开采深度增加会使工作面周围的支承压力峰值和影响范围增加，在顶板岩石坚硬，且煤岩层具有冲击倾向的条件下，容易发生煤爆(冲击地压)。
2.10顶板水
因水可起润滑作用，使岩石浸泡后软化，或裂隙活化，长期渗流将带掉岩石缝隙中的碎屑，使复合顶板工作面抽顶加速发展，易引起冒顶事故。
2.11其它生产技术因素
(1)残留煤柱：分层开采时，上部煤层残留煤柱支承上覆岩层，顶板应力集中，高应力将向底板(下部煤层)传递。
(2)推进度：工作面推进度快，意味着工作面停滞时间短，顶板岩层下沉量小，顶板压力较小，易于支护。
(3)控顶距：由于各煤层直接顶稳定性和老顶来压显现强度不同，因此最小控顶距和放顶距也不同，一般来说，老顶来压显现强度不明显时，最小控顶距可为三排；如直接顶仅为中等稳定顶板，可采用一排放顶距。为确保安全生产，在煤层直接顶破碎或发育有沿工作面方向的断层时，应加大控顶距，如直接顶较薄，老顶来压显现强烈，可采用二排放顶距。
由于井下环境条件十分复杂，影响煤矿顶板事故的因素很多，除地质因素外，生产技术因素和各种人为因素对安全生产的影响也较大。忽视这些影响因素，将会造成难以预料的灾害和事故，而利用这些影响因素，则可为矿井防灾救灾提供安全保证。
参考文献：
[1]陈炎光，钱鸣高，中国煤矿采场围岩控制[M]，北京：中国矿业大学出版社，1994
[2]国家安全监察局人事司，煤矿安全监察[M]，北京：中国矿业大学出版社
[3]柴登榜，矿井地质工作手册[M]，北京：煤炭工业出版社，1981
作者 张超