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随着我国煤矿采掘装备、支护技术的改革以及中小煤矿的逐步退出，我国煤矿顶板管理得到了根本好转，顶板事故起数和死亡人数大幅下降，但顶板事故起数与死亡人数所占比例依然较大，顶板灾害防治形势依旧严峻。
我国是世界煤炭生产大国，近几年煤炭产量不断增加，２０１５年煤炭产量达３７．５亿ｔ，占世界总产量的４７．７％。伴随煤炭产量的大幅跃升，我国煤矿事故起数和死亡率均大幅下降，安全生产状况有了明显改善，但与国际先进采煤国家相比，我国煤矿的事故率尤其是顶板事故率仍较高。煤矿灾害中，无论是生产矿井还是基建矿井顶板事故都是多发性的，对矿井的安全生产、建设危害性极大。 煤矿顶板事故发生的原因较多，其中，多数事故是支护方式落后、初撑力不足、支护质量差、疏于观测等原因造成的。 当前形势下，煤炭企业的办矿主体已发生深刻变化，与２０世纪８０年代以矿务局（矿）模式相比，出现了很多乡镇煤炭企业，也有很多非煤企业（电力、房地产、烟草、石油石化等）涉足煤炭生产或运营，导致煤矿支护技术也正发生深刻变革。 ３０年来，井工煤矿工作面的木支护、金属摩擦支柱或单体液压支柱支护形式已被综采液压支架所替代，巷道已由架棚支护转变为锚杆支护为主、其他支护形式为辅的格局；煤矿顶板监测监控技术迅速发展，顶板离层仪、采动应力监测系统、煤矿顶板灾害在线监测系统、支架压力监测系统等广泛应用于煤矿的顶板管理。 我国煤矿顶板管理现状 随着我国煤矿支护技术、支护装备的发展以及支护体系的深刻变革，煤矿顶板管理工作已取得了重大进展。 目前，我国回采工艺和回采设备已达到国际领先水平，在液压支架方面，中煤集团所属北煤机公司于２０１５年研制成功８．８ｍ超大采高工作面液压支架，工作面支架最大工作阻力达到２６０００ｋＮ，中心距２．４ｍ，能够实现８ｍ特厚煤层一次采全高。 在巷道支护方面，锚杆直径最大达到了２４ｍｍ，最大屈服强度达到１１４０ＭＰａ，抗拉强度达到１２７０ＭＰａ。锚索直径达到了２２ｍｍ，大幅提高了工作面和巷道的支护质量，很大程度上减少了煤矿的顶板事故。 对于复合顶板、坚硬顶板、“三软”煤层等复杂地质条件巷道支护问题，许多煤矿根据自身顶板特点，自主研发或合作开发复合支护方式，这种支护技术不仅表现在支护材料是多种材料的复合，而且表现在支护工艺的复合。如：金属锚杆＋金属锚网＋Ｗ钢带＋锚索＋混凝土喷浆配合化学注浆的支护技术、ＪＷ锚索钢带＋锚索＋让压锚杆支护技术、锚网喷锚梁＋高强锚索＋注浆锚杆联合支护技术、锚杆＋锚索＋组合锚索联合支护技术等，这些支护技术在改善复杂地质条件巷道围岩变形方面起到了重要作用。 随着支护技术和设备的发展，许多煤矿企业根据自身情况制定了相应的顶板管理机制，但经过调查走访发现，大部分顶板管理制度并没有得到很好的贯彻落实，特别是在现阶段各煤矿往往追求产能的扩大提升，而忽略了顶板管理的重要性，作为顶板管理工作最重要的一部分矿压监测分析也逐渐被忽视。矿压数据没有得到充分利用，其分析结果无法有效的指导安全生产。 煤矿顶板事故统计 ２０００—２０１５年，全国煤矿共发生安全事故３５０２２起，死亡５９６２６人，其中顶板事故１８０５９起，死亡２１３０８人，分别占同期全国煤矿事故起数与死亡人数的５１．５７％和３５．７５％。顶板事故各年统计结果见表１。２００２年，全国煤矿事故起数达到最高４３４４起，死亡６９９５人，顶板事故达到２３６４起，死亡２７６６人，为２０００—２０１５年之最。尔后逐年递减，截至２０１５年，由于中小煤矿大量关闭停产和国家对煤矿安全监管力度的提升，煤矿安全事故锐减。顶板事故率在２０１５年达到最低，仅占全国煤矿事故起数的３７．５％，顶板事故死亡人数所占比例也明显降低。 煤矿顶板事故与机械化水平的关系 ２０１５年全国煤矿顶板事故与机械化水平的关系如图１所示。可知，顶板事故起数和死亡人数随煤矿机械化水平的升高逐渐降低，尤其在机械化程度不到２０％的西南、华南地区尤为突出，该地区顶板事故起数和死亡人数均接近全国煤矿顶板事故起数与死亡人数的５０％。 煤矿顶板事故与淘汰落后产能的关系 ２００９—２０１５年小煤矿关闭数量与顶板事故之间的关系如图２所示。可以看出，随着小煤矿的逐步退出，顶板事故起数及死亡人数明显下降。 煤矿顶板事故原因分析 传统顶板事故原因分析 传统顶板事故是指由于巷道支护参数设计、工作面支架选型、采煤方法选择不合理或支护不及时、支护质量不达标、开采管理不规范、安全意识不足等造成的事故。事故发生的主要原因是前期地勘投入不足、科研经费有限、管理制度不完善，这些事故在中小煤矿中较为常见，发生概率大，死亡人数多。通过分析我国“十二五”期间煤矿较大顶板事故统计结果，松软破碎顶板、地质构造、坚硬顶板等地质条件是造成传统顶板事故的主要原因。 统计结果表明，传统顶板事故主要集中在西南和东北地区，乡镇煤矿和中小煤矿是顶板事故的高发矿井。主要原因是大多数中小煤矿采煤工作面采用单体支柱进行支护，放炮落煤，甚至有些矿井采用π 型钢梁放顶煤等落后采煤工艺，外加管理混乱，疏于防患，造成顶板事故发生。 新型顶板事故原因分析 随着采矿设备的发展和采煤技术的进步，高强度开采工作面逐渐成为特大型矿井的主要开采方式，表现为超大采高、超长工作面、超长推进距离、超快推进速度等特点。高强度开采工作面巷道断面大、割煤高度高，煤柱应力集中、回采扰动大，对煤层条件、巷道支护质量、顶板管理水平要求更高。这种情况容易诱发片帮冒顶、煤壁弹射、压死支架等事故，造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。此类事故逐渐增多，成为顶板事故新的增长点。新型顶板事故原因可以归结为以下４ 点。 １）全国大规模地改扩建和新建大型现代化矿井，高强度回采工作面越来越多。 为了实现高产高效，多采用一次采全高（大采高３．５～７．０ ｍ）超长工作面（２２０～３５０ ｍ）和超长推进长度（２ ５００ ～ ６ ０００ｍ）的高强度回采工作面，并且日推进度非常快（１５～３０ ｍ／ ｄ）。由于采用大采高超长工作面和超大推进长度，高产快速推进技术，从而使工作面的顶板垮落表现出与以往截然不同的性质。以往属于缓慢释放、频繁多次垮落的顶板，在此趋向于出现急速地、超范围地大面积垮落来压的动力冲击现象，而且更加严重的是将采空区的空气瞬间排出，形成巨大的飓风，其破坏力极强。大面积顶板垮落时产生飓风，飓风的力量不但能够对采场中的人员造成伤害，甚至采场中的机械设备也会遭到破坏，造成了冲击灾害威胁。 ２）西部浅埋煤层产量越来越大，对这类煤层矿压特点还缺乏深入了解。 我国对埋深大于３００ ｍ 以上的煤层矿压规律进行了大量的研究，对埋深小于２００ ｍ 的煤层，如神东、榆林地区，还没有深入地了解和研究，但这类煤层开采比例会越来越大，如２０１０ 年鄂尔多斯生产原煤４．３３ 亿ｔ，该地区煤层基本都属于浅埋深煤层。在该地区虽然采取高强度的支护，煤矿顶板事故发生相对较小，但也出现了一些工作面大面积来压事故，造成工作面停产和人员伤亡，如图３ 和图４ 所示。 如在伊泰集团酸刺沟煤矿支架工作阻力达到了１５ ０００ ｋＮ，工作面发生了多次压架事故；榆家梁煤矿薄煤层工作面支架工作阻力为１０ ６００ ｋＮ，工作面发生了压架事故；２０１０ 年鄂尔多斯市丁家梁煤矿在４０２ 综采工作面回采作业时，采空区顶板突然冒落，形成的气流将正在作业的采煤机司机和支架工冲击到设备上造成头部伤害，造成２ 人死亡。 在浅埋煤层坚硬顶板坚硬煤层开采条件下，采空区顶板长期悬露，坚硬的顶板在悬顶初期没有明显的位移现象，但随着顶板变形的不断增大，顶板承受本身自重和上部基本顶压力的能力就越来越差，一旦受到外界的干扰或达到极限承载悬露步距时，采空区顶板突然性的大规模垮落，造成顶板对支架载荷冲击和空气压缩冲击波载荷，大规模的顶板垮落由于突然性强、时间短、影响范围大，发生征兆不很明显，目前尚难以预测等原因，通常灾害影响较大。在大同、京西的坚硬顶板坚硬煤层开采，神东矿区的浅埋煤层开采工艺条件下，均会发生大规模采空区顶板垮落所形成的飓风灾害威胁。 ３）重设备、轻监测。 目前，我国回采工艺和回采设备已达到国际领先水平，大幅提高了工作面和巷道的支护质量，很大程度上减少了煤矿的顶板事故。但由于采用了高强度支护设备和材料，现场管理人员认为采用高强度支护设备可以杜绝顶板事故的发生，从而更容易忽视矿压的监测。实际上，高强度支护设备是保证工作面安全的一个方面，还需要进行矿压监测、数据分析、加强管理，从而保证工作面的安全。根据项目组多年的矿压监测研究和多个工作面顶板事故实例发现，采用高强度支护设备并不能完全阻止工作面顶板事故的发生，有的综采工作面，支架工作阻力达到了１５ ０００ ｋＮ，但因实际初撑力较小、前后柱受力不均等问题，导致工作面发生多次顶板事故。 ４）有监测、轻分析。 根据质量标准化要求，综采工作面和巷道都要求安装矿压监测系统，实际上，每个矿也基本上安装了矿压监测系统。２０ 世纪９０年代前，每个矿基本都有专业的矿压监测人员或队伍，分析矿压数据，并用来指导工作面的生产。目前，因支护设备的大型化和专业技术人员的缺乏，而忽视矿压数据的分析，矿压监测系统形同摆设。矿压数据并没有得到充分利用，其监测结果没有起到指导煤矿安全生产的目的。 煤矿顶板管理建议 １ 监管部门管理建议 １）要推进煤矿企业支护方式改革，推广应用顶板管理的先进适用技术，督促检查顶板管理措施落实和隐患排查治理情况。驻地煤矿安全监察机构要加大对顶板管理工作的监察力度，发现重大安全隐患的，要责令煤矿停产整顿；对顶板管理工作不到位导致事故发生的，要依法追究相关人员的责任。 ２）督促煤矿企业高度重视顶板管理工作，明确分管负责人和分管业务部门，配备足够的专业技术人员，健全完善有关规章制度，明确岗位责任，严格考核奖惩，确保顶板管理各项制度落到实处。 ２ 煤炭企业自身管理建议 １）加强矿井地质勘探和地质资料的分析研究，以及矿压观测工作，掌握煤层赋存情况、地质构造、顶底板岩性、煤岩物理力学参数和矿压显现规律，抓好采区地质情况的预测预报工作，为顶板管理提供基础资料。 ２）矿压观测作为顶板管理的重要组成部分必须得到煤矿企业的足够重视，对于地质条件复杂的矿井，尤其是存在坚硬顶板、松软破碎顶板、复合顶板、“三软”煤层、地质构造复杂、深部开采、浅埋煤层的煤矿企业，需建立矿压在线监测系统，实时监测各回采工作面、采掘巷道及特殊地点的矿压变化及围岩变形情况。成立矿压管理组，配备至少３～５ 名矿压人员，专门负责矿压观测、支护质量监测、矿压数据分析处理等工作。 ３）煤矿企业要积极推进支护方式改革，推广应用顶板支护新技术、新工艺、新材料，推广采掘机械化，推广锚杆、锚索、锚网、锚喷等支护技术，组织对冲击地压、“三软”煤层、复合顶板、极破碎顶板等支护技术难题的科技攻关。禁止使用巷道式、高落式非正规采煤方法，仓储式采煤法以及回采工作面使用木支柱支护和金属摩擦支柱支护也是不允许的。 ４）煤矿企业要深入开展安全质量标准化工作，建立健全采掘工作面支护质量班评估验收制度，每班由专人对照安全质量标准化标准和采掘作业规程，对工程质量、工作质量进行验收，不合格的要立即整改。要对采掘工作面和巷道维修工程的支护质量进行检查验收考核。 ５）建立顶板安全风险预控机制，要求企业内部加强对矿井顶板危险源进行全方位辨识，并细化到所有采掘工作面及有人作业的地点，对排查出的顶板隐患及时梳理分类，制定具有针对性的矿井顶板事故防治措施。 作者：于健浩，吉林白山人，博士。就职于天地科技股份有限公司开采设计事业部。 |
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