第四章 矿井顶板事故的救灾技术第一节 概述实现煤矿的安全开采，根据不同的地质条件和生产技术条件，不仅要有针对性的安全措施及制度，而且要有较强的工作责任心和科学态度。科学而严格的管理是安全生产的关键，马虎与侥幸的行为即人为因素则是事故多发的重要原因，从大量的事故统计中可知，由于管理不善，顶板事故所造成的比例是相当大的。如图4-1所示。图4-1是19502003年煤矿各类事故发生次数与伤亡人数的统计结果，可以看出，瓦斯煤尘爆炸事故次数占事故总数的29.5，而伤亡人数占总伤亡人数的52.31，居各类事故之首；其次是顶板事故，发生次数占事故总数的23.5，伤亡人数占总伤亡人数的8.81；水灾事故占事故总数的12.72，伤亡人数占总伤亡人数的11.28。由此可见，加强瓦斯煤尘爆炸、顶板和水灾事故的防治是降低煤矿百万吨死亡率的重点内容。图4-1 19502003年煤矿各类事故发生次数与伤亡人数统计需要指出的是，如果把死亡12人的顶板事故统计在内，不论是事故发生的起数，还是死亡人数，均居各类事故之首。根据对20012003年煤矿事故的统计，顶板事故起数占煤矿事故总起数的49.86%，死亡人数占总死亡人数的35.67%。可见，煤矿顶板事故对煤矿安全生产的影响非常之大，加强顶板管理，减少或杜绝顶板事故的发生仍然是我们降低百万吨死亡率，扭转煤矿安全生产形势的重点工作之一。由于煤矿顶板事故常见、多发，矿山救援中一项最频繁的业务就是顶板事故的抢险救灾。有人说，矿山救护队在顶板事故的抢险救灾中并无长处，实属偏见。一支真正掌握了顶板事故抢险救灾技术，拥有顶板事故抢险救灾装备，且具备顽强战斗品质的专业队伍，绝非普通采掘区队可以与日同语。顶板事故的灾害性、继发性较之于瓦斯、煤尘、火灾事故要轻一些，但“科学决策，安全施救”的重要性同等重要。第二节 矿山压力与顶板控制一、采煤工作面矿压显现规律煤层开采以后，采空区上方岩层重量将向采空区周围转移，从而在采空区四周形成支承压力带(图4-2)。此时在工作面前方形成了前承压力，它随工作面推进而不断推移，最大值发生在工作面中部前方，峰值可达原岩压力的24倍，即（24）H。回采工作面推进一定距离后，采空区后方将逐渐进入压实状态，此时也可能形成另一个波形压力峰值，此峰值根据情况有可能略大于、等于或小于H值。前支承压力的峰值位置可深入煤体210m2，其影响范围可达工作面前方90100m。在回采工作面推过后，上下两侧沿顷斜上、下均可形成支承压力，即称为侧向支承压力。图4-2 采空区周围应力重新分布的概貌1工作面前方超前支承压力；2、3、4沿倾斜、仰斜及工作面后方残余支承压力在工作面与两侧回采巷道交岔处的拐角上，形成峰值很高的叠加支承压力，其峰值可达原岩垂直压力的7倍左右，如图4-3所示。14000kNm-22000（H）图4-3 煤层凸出角处的叠合支承压力图4-4是煤层开采后顶底板岩层中压力的分布状态，可以看出，支承压力的峰值位置和其影响范围随岩层与煤层的距离而变化，即距离煤层越近，支承压力的集中程度越高，反之亦然。图4-4 支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图1采动影响带边界；2支承压力区；3卸载区边界可见，为了减轻或避免支承压力对巷道的危害和改善采区巷道维护状况，就必须掌握回采工作面周围支承压力的分布规律，并了解它对采区巷道的影响特点。二、采区巷道矿压显现规律掌握沿煤层走向方向的矿压显现规律，对于正确选择巷道的支架类型，确定合理的支护参数，控制矿压，改善巷道维护状况有重要意义。现以本区段工作面采完后留下供下区段工作面复用的下部运输顺槽为例（如图4-5所示），说明巷道从开始掘进到开采工作完全结束的矿压显现过程。图4-5 工作面下部顺槽顶底板移动的全过程曲线1移动速度曲线；2移近量曲线1、巷道掘进阶段()在煤层或岩层内开掘巷道，破坏了原始应力平衡状态，即会引起应力重新分布，围岩会产生移动和变形。剧烈期每天的移动速度为几十毫米，稳定期一般1毫米。2、无采掘影响阶段()这个阶段的围岩移动主要是由于流变所引起的，即变形量是时间的函数。变形量极小，巷道基本稳定。3、采动影响阶段()由于回采影响，围岩应力再次重新分布。加之空顶面积较大，导致矿压显现剧烈。工作面前方（前）每天移近速度为十几毫米，占总移近量的1015% 工作面后方（后），每天移近速度为2060毫米。这个阶段的移近量占总移近量的5060%左右。4、采动影响稳定阶段()巷道围岩经历一次移动影响后重新进入相对稳定的阶段，平均移动速度比无采掘影响阶段稍大一些。仅占总移近量的58%。5、二次采动影响阶段()由于受另一工作面开采支承压力的影响，引起顶板岩层进一步失稳和运动，比一次采动影响稍大一些，占总移近量的2025%。根据采区平巷的矿压显现规律的研究可知，采区平巷从掘进到报废的整个服务期内顶底板总移近量（U总）为： U总=U0+v0t0+U1+v1t1+U2式中：U0、U1和U2一由掘巷、一次采动和二次采动引起的顶底板移近量，mm；v0、v1无采掘影响期和一次采动后稳定期内顶底板移近速度，mm/dt0、t1无采掘影响期和一次、二次采动影响间隔期的时间，d。三、冲击矿压煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏，在瞬间以极大的速度将一定量的煤体或岩体抛向空间的动力现象称为冲击矿压。发生冲击矿压时常伴有很大的声响，在一定范围内能感到震动，煤体抛出时，形成煤尘，有时还释放大量的瓦斯；冲击矿压常导致巷道破坏顶板垮塌，并造成人身伤亡事故。在一定的煤质条件下，当开采达到一定深度后就可能发生上述现象，发生的颇率和强度随开采深度增大而增加。因此，它是深部开采时必须研究的重要课题之一。截止2005年统计，我国已有100余个煤矿发生了冲击矿压，比较突出的矿区有：北票、抚顺、北京、开滦、枣庄、新汶、徐州、南桐、四川天池等。已发生的破坏性冲击矿压2200多次，最大震级为里氏震级3.8极。破坏性很强。现在，我国的一些金属矿山、铁路隧道工程也出现冲击地压（岩爆）现象。从世界一些主要产煤国家看，原苏联、波兰、法国都有严重的冲击矿压现象，特别是波兰，有50%的矿井具有冲击倾向性。（一）冲击矿压的分类：根据原岩(煤)体应力状态、显现强度和发生的地点和位置的不同，冲击矿压有如下几种分类方法：1、按原煤(岩)体应力状态不同，冲击矿压可分为三类：1)重力型冲击矿压。主要受重力作用，没有或只有极小构造应力引起的冲击矿压，如：枣庄，抚顺、开滦等。2)构造应力型冲击矿压。构造应力引起的冲击矿压，如：北票、四川天池煤矿。3)中间型或重力构造型冲击矿压。主要受重力和构造应力的共同作用引起的冲击矿压。2、根据冲击的显现强度，可分为四类：1)弹射。指一些碎块在应力的作用下射落。并伴有强烈的声响。属于微冲击现象。2)矿震。在应力作用下，煤、岩体发生破坏，并不抛出，只有片帮和错落现象，但产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震，也称为“煤炮”。3)弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不大，可能有大量瓦斯涌出。4)强冲击。部分煤或岩层急剧破碎，且向采空区抛出，出现支架折损、设备移动、围岩震动，伴有巨大声响，形成大量煤尘与产生冲击波。3、根据震级强度和考虑抛出的煤量，可分为三级：1)轻微冲击(级)。抛出煤量在10以下，震级在1级以下的冲击矿压。2)中等冲击(级)。抛出煤量在1050，震级在12级的冲击矿压。3)强烈冲击(级)。抛出煤量在50以上，震级在2级以上的冲击矿压。4、根据发生的地点和位置冲击矿压可分为两大类：1)煤体冲击。发生在煤体内，根据冲击深度和强度又分为表面、浅部和深部冲击。2)围岩冲击。发生在顶底板岩层内，根据位置有顶板冲击和底板冲击。（二）影响冲击矿压发生的矿山地质因素1开采深度实际资料证明，多数矿井的开采深度达到200m以上时，才会发生冲击矿压，并且发生的频次和强度都随着深度增大而增加。如表41、 42、43所示。表4-1 我国部分矿井发生冲击矿压的临界深度局、矿名称门头沟天池抚顺城子矿大台矿陶庄矿房山矿唐山矿临界深度200240250370460480520540表4-2 发生冲击矿压的强度和频次与开采深度的关系地区与矿名强度或频次量位开采深度（m）201300301400401500501600601700重庆地区发生强度（平均煤量）t/次681189471250天池矿发生次数次%13.5311.5193212321422表4-3 波兰发生冲击矿压的频次与开采深度的关系开采深度（m）201300301400401500500发生次数（次/百万吨）1662831422.煤层和顶底板岩石性质及特征发生冲击矿压的必要条件是形成较大的集中应力和积聚较多的弹性能。这就要求顶底板岩层比较坚硬，煤层具有脆性。一般，有冲击矿压发生的煤岩体，在破坏前的全部变形中，弹性变形所占比重大，而塑性变形所占比重小。据研究，如弹性变形部分占5080%时，则具有发生冲击的危险；如弹性变形只占2050%，则无冲击危险。所以，煤和岩石的弹性模量及其强度指标可以做为发生冲击矿压倾向度的一个特征。3地质构造因素在地质构造带中尚存有一部分地壳运动的残余应力，形成构造应力场。冲击矿压就常常发生在这些构造应力集中的区域。在次一级向背斜构造的轴部，倾角大于45的翼部及其转折部位是构造应力易于集中的地带，发生冲击矿压的危险性最大。同样，煤层局部异常地带也易于发生冲击矿压。在形成断层的过程中，一般能够释放一定的能量，使其两侧的构造应力降低。但在断层的尾端构造处，仍可积聚有较大的残余应力。（三）冲击矿压的防治措施根据冲击矿压的成因和机理，防治措施的基本原理有两方面：1降低应力的集中程度（1）开采具有冲击倾向的煤层群时，开拓布置应有利于开采保护层。（2）划分井田和采区时，避免形成应力集中的煤柱和不规则的井巷几何形状。（3）应尽量采用长壁工作面开采法。（4）避免相向开采形成应力叠加。（5）避免形成四面、三面、两面采空的岛形煤体，以解决应力叠加问题。2改变煤层的物理力学性能及顶板预处理：（1）顶板注水。有些岩层遇水易软化，如：粘土页岩，长石，砾岩。注水后，岩石由脆性向塑性转化，从而促其早变形或垮落，集中应力就会得到释放，这就是顶板注水治理冲击矿压的基本原理。（2）顶板松动爆破。这种方法适用于坚硬厚层整体性顶板。松动爆破后，顶板内形成不同程度的破裂，失去完整性。消除应力集中，减弱或消除了冲击倾向。（3）煤体预处理。采掘工作开始前，向有潜在冲击危险的煤体进行较低压力和较长时间的注水，可改变煤体的物理、力学性质，减弱或消除冲击倾向。第三节 顶板事故的救灾技术要点当灾害事故发生后，如何安全、迅速、有效地抢救人员、保护设备、控制和缩小事故影响范围及其危害程度、防止事故扩大，将事故造成的人员伤亡和财产损失降低到最低限度，是救灾工作的关键。任何怠慢和失误，都会造成难以弥补的重大损失，因此掌握事故处理的原则方法和技术，是十分必要的。处理顶板事故抢救遇险人员时，首先应直接与遇险人员联络（呼叫、敲打、使用地音探听