支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

一、回采工作面頂板事故預(yù)防
    回采工作面的支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要是為了保證工作面正常出產(chǎn)及防止發(fā)生頂板事故。煤礦頂板事故對(duì)礦井安全出產(chǎn)危害極大，從我國(guó)煤礦事故統(tǒng)計(jì)來看，頂板事故一直居各類事故之首。據(jù)歷年統(tǒng)計(jì)，國(guó)有煤礦頂板事故約占死亡事故的40-45%，頂板事故中大多數(shù)又發(fā)生在回采工作面，約占70%。為預(yù)防回采工作面頂板事故，首先應(yīng)對(duì)其基本特征進(jìn)行分析。
（一）工作面冒頂事故的基本特征
    據(jù)我國(guó)各礦區(qū)歷年的事故統(tǒng)計(jì)分析，工作面頂板事故發(fā)生的地點(diǎn)、前提和方式均有一定的規(guī)律性，熟悉和把握這些規(guī)律對(duì)監(jiān)測(cè)和控制冒頂?shù)陌l(fā)生是很有必要的。
    1、頂板類型  發(fā)生冒頂?shù)墓ぷ髅骓敯逋禽^軟的、較硬的、復(fù)合頂板或鑲嵌型頂板。較軟的頂板中有再生頂板、偽頂、疏松型及破碎型頂板，如近間隔煤層上層回采后的下煤層頂板呈現(xiàn)為膨脹后的破碎頂板。較硬的頂板易造成大面積來壓及鑲嵌型局部冒頂?shù)取?fù)合頂板或稱離層型頂板的巖性結(jié)構(gòu)為下軟上硬，其下位軟巖層的厚度一般小于采高，軟硬巖層間常夾有煤線或薄層軟弱巖層。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這三類頂板發(fā)生事故約占全部工作面頂板事故的70-80％，其中以復(fù)合頂板下發(fā)生事故最多。地質(zhì)構(gòu)造帶如斷層、褶曲四周，頂板輕易破碎，也易引起冒頂。
    2、冒頂?shù)攸c(diǎn)  按工作面發(fā)生冒頂?shù)奈恢茫饕趦啥藘删€，即上下端頭、煤壁線（梁端到煤壁無支護(hù)空間）、放頂線。上下端頭冒頂約占25%、煤壁線冒頂約占30％、放頂線冒頂約占20％、工作面冒頂約占25%。按工作面沿走向推進(jìn)的位置，有將近70-80％的頂板事故發(fā)生在初放期間，其中多數(shù)事故發(fā)生于工作面離開切眼小于10m范圍內(nèi)，常處于工作面初次來壓前。
    3、支護(hù)形式  頂板事故與支護(hù)機(jī)械化程度關(guān)系極大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，摩擦支柱工作面比木支柱工作面頂板事故減少60%，而又比綜采工作面頂板事故高6-9倍，比單體液壓支柱工作面高2-4倍。1990年在國(guó)有煤礦工作面中，單體液壓支柱普采面占21.8％，炮采面占58.5％。包括采用單體液壓支柱的炮采工作面在內(nèi)，單體液壓支柱工作面約占工作面總數(shù)一半以上，是支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。
    4、冒頂類型  局部冒頂事故約占70%，大范圍的冒頂事故約占30%。冒頂類型可分為下列五類：
    第一種類型為推垮型冒頂。約占冒頂事故之半。推垮型冒頂事故常常與復(fù)合頂板以及初采期相聯(lián)系，其垮落特征為：(1)冒頂前采場(chǎng)頂板壓力不大，支柱沒有顯著變形及損壞，支柱活柱極少下縮；(2)冒頂后上部硬巖層懸露不冒，也有只冒數(shù)個(gè)大塊，冒頂高度有限；(3)冒頂巖塊在垮落前一般周圍已有裂痕，且沿傾斜下方有冒落空穴或臺(tái)階狀自由面作為巖塊移動(dòng)的去路；(4)冒頂后支柱一般沒有折損，只是向煤層傾斜的斜下方傾倒。
    第二種類型為壓垮型冒頂。往往由老頂大面積初次或周期來壓造成，約占冒頂事故總數(shù)的7%，次數(shù)固然未幾，但造成損失較嚴(yán)峻，通常表現(xiàn)為來壓前頂板平整，來壓時(shí)采場(chǎng)煤壁片幫加劇，頂板沿煤壁切開呈臺(tái)階下沉，頂板急劇下沉，采空區(qū)懸頂?shù)舨辏钪眲∠驴s或折損，跟著單體液壓支柱的推廣使用，這類事故逐漸減少。
    第三類冒頂事故為漏垮型。頂板主要由疏松的巖層或再生頂板組成，當(dāng)端面空頂較大或假頂破損或封頂不嚴(yán)時(shí)才發(fā)生漏頂，或在地質(zhì)變動(dòng)帶掉碴抽空，加上大塊冒矸下砸使支架失穩(wěn)而冒頂，這類冒頂范圍較小，一般為2-3m，但處理不當(dāng)也可能擴(kuò)大冒頂范圍。
    第四類為沖毀型。頂板主要為堅(jiān)硬巖層，在采空區(qū)懸頂較大，冒下的巨塊巖石沿傾斜滑向煤壁，沖倒特種支架，形成冒頂。分層開采時(shí)假頂上方的巨塊巖石下滑流動(dòng)而引起倒柱冒頂。
    第五類為局部巖塊冒落型。這種頂板結(jié)構(gòu)常為鑲嵌型結(jié)構(gòu)，頂板受人字劈、草帽劈等影響，或有鍋底狀包裹體，加上支護(hù)不及時(shí)，空頂面積較大或棚檔較大，使巖塊沿滑面脫落而造成冒頂，這類冒頂雖范圍小，但事先少有預(yù)示，輕易被人忽視。
從以上分析可知，不論哪種冒頂均是因?yàn)樵谝欢ㄇ疤嵯碌V山壓力作用于采場(chǎng)圍巖，通過老頂、直接頂或復(fù)合頂以及煤壁、采空區(qū)矸石等形成的各種礦山壓力顯現(xiàn)。這種礦壓顯現(xiàn)需通過支護(hù)的支撐力、準(zhǔn)確的阻力分布及側(cè)向不亂性來控制，當(dāng)支架與圍巖間泛起力的不平衡時(shí)，就可能產(chǎn)生各種類型的冒頂。
    防止冒頂是回采工作面頂板治理的中央任務(wù)，其內(nèi)容主要有以下幾方面：
    1、公道選擇開采方法、開采順序及巷道布置等以減小采場(chǎng)的頂板壓力；
    2、公道設(shè)計(jì)采場(chǎng)支護(hù)，準(zhǔn)確確定其型式、阻力、布置等參數(shù)，并進(jìn)一步促進(jìn)支護(hù)改革，強(qiáng)化支護(hù)手段；
    3、當(dāng)真進(jìn)行頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，把握頂板流動(dòng)規(guī)律，尤其對(duì)于老頂來壓劇烈而支護(hù)能力較弱的單體支柱工作面，進(jìn)行來壓猜測(cè)預(yù)告，提前采取措施，避免產(chǎn)生壓垮型或引起其他形式的冒頂事故；
    4、常常全面地進(jìn)行支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，保證支架處于有效、良好的工作狀態(tài)，對(duì)重點(diǎn)地區(qū)事故多發(fā)地段及時(shí)著重監(jiān)測(cè)，邊測(cè)邊改，為出產(chǎn)技術(shù)治理及時(shí)提供信息及依據(jù)，實(shí)行科學(xué)治理。
（二）采面支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展
回采工作面的支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期。
1、頂板壓力預(yù)告及三量觀測(cè)
    1964年西山礦務(wù)局提出了頂板壓力預(yù)告的方法，其內(nèi)容偏重于地質(zhì)變化及來壓預(yù)告，提高前輩行煤層賦存的地質(zhì)前提以及出產(chǎn)技術(shù)因素的調(diào)查，并適當(dāng)觀測(cè)一些必要的特征量，在分析研究的基礎(chǔ)上，提出預(yù)告及制訂措施。
預(yù)告分為長(zhǎng)期、中期及短期三種。長(zhǎng)期指工作面的整個(gè)開采期間；中期指未來一旬或半月內(nèi)預(yù)告一次；短期指每5天內(nèi)預(yù)告一次。
預(yù)告內(nèi)容指壓力變化的地點(diǎn)、時(shí)間和危險(xiǎn)程度以及技術(shù)措施。預(yù)告要簡(jiǎn)明易懂，圖表化。同時(shí)，在礦壓三量觀測(cè)的基礎(chǔ)上，開始對(duì)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、移近速度、支柱載荷及活柱下縮量進(jìn)行定量觀測(cè)。
2、利用超前巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)變化作頂板動(dòng)態(tài)預(yù)告并對(duì)工作面工程質(zhì)量尺度，進(jìn)行檢查評(píng)級(jí)
    1982年原山東礦院同道首先在棗莊局發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上覆堅(jiān)硬巖層超前斷裂時(shí)，在工作面上下兩巷內(nèi)測(cè)得頂板反彈信息，可以作為工作面來壓預(yù)告的基礎(chǔ)，由此發(fā)展一種利用動(dòng)態(tài)儀布置在工作眼前方的巷道內(nèi)捕獲信息進(jìn)行頂板動(dòng)態(tài)預(yù)告的方法，以后在銅川、徐州等局還發(fā)展了利用超前巷道內(nèi)壓力變化作為預(yù)告頂板動(dòng)態(tài)的方法。     原煤炭部制定的幾回加強(qiáng)頂板治理的若干劃定，如簡(jiǎn)稱19條、30、20條等，劃定要加強(qiáng)礦壓觀測(cè)工作及保證支護(hù)質(zhì)量尺度，如達(dá)不到機(jī)能尺度的支柱不準(zhǔn)入井，摩擦式金屬支柱初撐力不得小于2t,推廣5t升柱器等。
3、工作面支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)日常監(jiān)測(cè)
    頂板動(dòng)態(tài)預(yù)告，在預(yù)防老頂劇烈來壓威脅采場(chǎng)安全中施展了較好的作用。如在北京礦務(wù)局由刀柱法治理頂板轉(zhuǎn)變?yōu)榭迓浞ㄖ卫眄敯鍟r(shí)，在徐州局、棗莊局等事故多發(fā)前提下，能較正確地預(yù)告來壓。原煤炭部出產(chǎn)司制定的頂板治理前提，為今后科學(xué)治理頂板，大幅度減少頂板事故打下基礎(chǔ)。
在此以前的礦壓觀測(cè)與來壓預(yù)告有以下不足之處：
    (1)礦壓觀測(cè)一般需占用較多職員，觀測(cè)數(shù)據(jù)的收拾整頓較費(fèi)時(shí)，觀測(cè)線常設(shè)在中部，代表面較窄，尤其與事故發(fā)生地點(diǎn)及時(shí)間可能不符，指導(dǎo)出產(chǎn)還不夠及時(shí)。
    (2)礦壓觀測(cè)與支護(hù)質(zhì)量聯(lián)系不夠緊密親密，而控制圍巖避免發(fā)生冒頂?shù)闹饕侄问强恐ёo(hù)，因此在功課規(guī)程既定的情況下，保證支護(hù)質(zhì)量是最首要的。
    (3)檢查支護(hù)質(zhì)量側(cè)重直、勻、及時(shí)，但更重要的應(yīng)該是支架的內(nèi)在質(zhì)量，即支柱應(yīng)具有足夠的初撐力及工作阻力，而且應(yīng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)題目，及時(shí)整改。
    1988年新汶礦務(wù)局與中國(guó)礦大首創(chuàng)的支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)在克服上述不足之處方面有很大改善，使礦壓觀測(cè)與出產(chǎn)治理的結(jié)合發(fā)展到新階段，并跟著全國(guó)推廣泛起不少新做法、新指標(biāo)、新儀器，使監(jiān)測(cè)方法更為完善，從而可將工作面的控頂工作納入科學(xué)治理的軌道。
二、單體支柱工作面支護(hù)質(zhì)量與頂板動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)
（一）以比值為主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)方法
所謂比值就是頂板下沉量與活柱下縮量之比．現(xiàn)首先以新汶局與中國(guó)礦大開始推出的方法為例。其詳細(xì)做法如下：
1、設(shè)置觀測(cè)線與量測(cè)數(shù)據(jù)
    沿工作面每10m左右設(shè)一條觀測(cè)線，每一條觀測(cè)線代表其上下各5m左右范圍內(nèi)的情況，量測(cè)各觀測(cè)線上各排支柱處的采高及支柱的活柱高度，若以首排測(cè)得的值為基礎(chǔ)，則跟著工作面的推進(jìn)就可測(cè)出該排相對(duì)煤壁不同間隔時(shí)，即處于各控頂排的頂板下沉量（實(shí)際為頂?shù)装逑鄬?duì)移近量）簡(jiǎn)稱頂沉及活柱縮量，或稱柱縮，其布置如圖1所示。