支护质量与顶板动态监测

一、回采工作面顶板事故预防
    回采工作面的支护质量与顶板动态监测主要是为了保证工作面正常出产及防止发生顶板事故。煤矿顶板事故对矿井安全出产危害极大，从我国煤矿事故统计来看，顶板事故一直居各类事故之首。据历年统计，国有煤矿顶板事故约占死亡事故的40-45%，顶板事故中大多数又发生在回采工作面，约占70%。为预防回采工作面顶板事故，首先应对其基本特征进行分析。
（一）工作面冒顶事故的基本特征
    据我国各矿区历年的事故统计分析，工作面顶板事故发生的地点、前提和方式均有一定的规律性，熟悉和把握这些规律对监测和控制冒顶的发生是很有必要的。
    1、顶板类型  发生冒顶的工作面顶板往往是较软的、较硬的、复合顶板或镶嵌型顶板。较软的顶板中有再生顶板、伪顶、疏松型及破碎型顶板，如近间隔煤层上层回采后的下煤层顶板呈现为膨胀后的破碎顶板。较硬的顶板易造成大面积来压及镶嵌型局部冒顶等。复合顶板或称离层型顶板的岩性结构为下软上硬，其下位软岩层的厚度一般小于采高，软硬岩层间常夹有煤线或薄层软弱岩层。据统计，这三类顶板发生事故约占全部工作面顶板事故的70-80％，其中以复合顶板下发生事故最多。地质构造带如断层、褶曲四周，顶板轻易破碎，也易引起冒顶。
    2、冒顶地点  按工作面发生冒顶的位置，主要在两端两线，即上下端头、煤壁线（梁端到煤壁无支护空间）、放顶线。上下端头冒顶约占25%、煤壁线冒顶约占30％、放顶线冒顶约占20％、工作面冒顶约占25%。按工作面沿走向推进的位置，有将近70-80％的顶板事故发生在初放期间，其中多数事故发生于工作面离开切眼小于10m范围内，常处于工作面初次来压前。
    3、支护形式  顶板事故与支护机械化程度关系极大。据统计，摩擦支柱工作面比木支柱工作面顶板事故减少60%，而又比综采工作面顶板事故高6-9倍，比单体液压支柱工作面高2-4倍。1990年在国有煤矿工作面中，单体液压支柱普采面占21.8％，炮采面占58.5％。包括采用单体液压支柱的炮采工作面在内，单体液压支柱工作面约占工作面总数一半以上，是支护质量监测的主要对象。
    4、冒顶类型  局部冒顶事故约占70%，大范围的冒顶事故约占30%。冒顶类型可分为下列五类：
    第一种类型为推垮型冒顶。约占冒顶事故之半。推垮型冒顶事故常常与复合顶板以及初采期相联系，其垮落特征为：(1)冒顶前采场顶板压力不大，支柱没有显著变形及损坏，支柱活柱极少下缩；(2)冒顶后上部硬岩层悬露不冒，也有只冒数个大块，冒顶高度有限；(3)冒顶岩块在垮落前一般周围已有裂痕，且沿倾斜下方有冒落空穴或台阶状自由面作为岩块移动的去路；(4)冒顶后支柱一般没有折损，只是向煤层倾斜的斜下方倾倒。
    第二种类型为压垮型冒顶。往往由老顶大面积初次或周期来压造成，约占冒顶事故总数的7%，次数固然未几，但造成损失较严峻，通常表现为来压前顶板平整，来压时采场煤壁片帮加剧，顶板沿煤壁切开呈台阶下沉，顶板急剧下沉，采空区悬顶掉碴，活柱急剧下缩或折损，跟着单体液压支柱的推广使用，这类事故逐渐减少。
    第三类冒顶事故为漏垮型。顶板主要由疏松的岩层或再生顶板组成，当端面空顶较大或假顶破损或封顶不严时才发生漏顶，或在地质变动带掉碴抽空，加上大块冒矸下砸使支架失稳而冒顶，这类冒顶范围较小，一般为2-3m，但处理不当也可能扩大冒顶范围。
    第四类为冲毁型。顶板主要为坚硬岩层，在采空区悬顶较大，冒下的巨块岩石沿倾斜滑向煤壁，冲倒特种支架，形成冒顶。分层开采时假顶上方的巨块岩石下滑流动而引起倒柱冒顶。
    第五类为局部岩块冒落型。这种顶板结构常为镶嵌型结构，顶板受人字劈、草帽劈等影响，或有锅底状包裹体，加上支护不及时，空顶面积较大或棚档较大，使岩块沿滑面脱落而造成冒顶，这类冒顶虽范围小，但事先少有预示，轻易被人忽视。
从以上分析可知，不论哪种冒顶均是因为在一定前提下矿山压力作用于采场围岩，通过老顶、直接顶或复合顶以及煤壁、采空区矸石等形成的各种矿山压力显现。这种矿压显现需通过支护的支撑力、准确的阻力分布及侧向不乱性来控制，当支架与围岩间泛起力的不平衡时，就可能产生各种类型的冒顶。
    防止冒顶是回采工作面顶板治理的中央任务，其内容主要有以下几方面：
    1、公道选择开采方法、开采顺序及巷道布置等以减小采场的顶板压力；
    2、公道设计采场支护，准确确定其型式、阻力、布置等参数，并进一步促进支护改革，强化支护手段；
    3、当真进行顶板动态监测，把握顶板流动规律，尤其对于老顶来压剧烈而支护能力较弱的单体支柱工作面，进行来压猜测预告，提前采取措施，避免产生压垮型或引起其他形式的冒顶事故；
    4、常常全面地进行支护质量监测，保证支架处于有效、良好的工作状态，对重点地区事故多发地段及时着重监测，边测边改，为出产技术治理及时提供信息及依据，实行科学治理。
（二）采面支护质量与顶板动态监测的发展
回采工作面的支护质量与顶板动态监测的发展大致经历了三个时期。
1、顶板压力预告及三量观测
    1964年西山矿务局提出了顶板压力预告的方法，其内容偏重于地质变化及来压预告，提高前辈行煤层赋存的地质前提以及出产技术因素的调查，并适当观测一些必要的特征量，在分析研究的基础上，提出预告及制订措施。
预告分为长期、中期及短期三种。长期指工作面的整个开采期间；中期指未来一旬或半月内预告一次；短期指每5天内预告一次。
预告内容指压力变化的地点、时间和危险程度以及技术措施。预告要简明易懂，图表化。同时，在矿压三量观测的基础上，开始对顶底板相对移近量、移近速度、支柱载荷及活柱下缩量进行定量观测。
2、利用超前巷道内矿压显现变化作顶板动态预告并对工作面工程质量尺度，进行检查评级
    1982年原山东矿院同道首先在枣庄局发现，当上覆坚硬岩层超前断裂时，在工作面上下两巷内测得顶板反弹信息，可以作为工作面来压预告的基础，由此发展一种利用动态仪布置在工作眼前方的巷道内捕获信息进行顶板动态预告的方法，以后在铜川、徐州等局还发展了利用超前巷道内压力变化作为预告顶板动态的方法。     原煤炭部制定的几回加强顶板治理的若干划定，如简称19条、30、20条等，划定要加强矿压观测工作及保证支护质量尺度，如达不到机能尺度的支柱不准入井，摩擦式金属支柱初撑力不得小于2t,推广5t升柱器等。
3、工作面支护质量与顶板动态日常监测
    顶板动态预告，在预防老顶剧烈来压威胁采场安全中施展了较好的作用。如在北京矿务局由刀柱法治理顶板转变为垮落法治理顶板时，在徐州局、枣庄局等事故多发前提下，能较正确地预告来压。原煤炭部出产司制定的顶板治理前提，为今后科学治理顶板，大幅度减少顶板事故打下基础。
在此以前的矿压观测与来压预告有以下不足之处：
    (1)矿压观测一般需占用较多职员，观测数据的收拾整顿较费时，观测线常设在中部，代表面较窄，尤其与事故发生地点及时间可能不符，指导出产还不够及时。
    (2)矿压观测与支护质量联系不够紧密亲密，而控制围岩避免发生冒顶的主要手段是靠支护，因此在功课规程既定的情况下，保证支护质量是最首要的。
    (3)检查支护质量侧重直、匀、及时，但更重要的应该是支架的内在质量，即支柱应具有足够的初撑力及工作阻力，而且应能及时发现题目，及时整改。
    1988年新汶矿务局与中国矿大首创的支护质量与顶板动态监测在克服上述不足之处方面有很大改善，使矿压观测与出产治理的结合发展到新阶段，并跟着全国推广泛起不少新做法、新指标、新仪器，使监测方法更为完善，从而可将工作面的控顶工作纳入科学治理的轨道。
二、单体支柱工作面支护质量与顶板动态的监测
（一）以比值为主要监测指标的监测方法
所谓比值就是顶板下沉量与活柱下缩量之比．现首先以新汶局与中国矿大开始推出的方法为例。其详细做法如下：
1、设置观测线与量测数据
    沿工作面每10m左右设一条观测线，每一条观测线代表其上下各5m左右范围内的情况，量测各观测线上各排支柱处的采高及支柱的活柱高度，若以首排测得的值为基础，则跟着工作面的推进就可测出该排相对煤壁不同间隔时，即处于各控顶排的顶板下沉量（实际为顶底板相对移近量）简称顶沉及活柱缩量，或称柱缩，其布置如图1所示。