支護質量與頂板動態監測

一、回采工作面頂板事故預防
回采工作面的支護質量與頂板動態監測主要是為了保證工作面正常生產及防止發生頂板事故。煤礦頂板事故對礦井安全生產危害極大，從我國煤礦事故統計來看，頂板事故一直居各類事故之首。據歷年統計，國有煤礦頂板事故約占死亡事故的40-45%，頂板事故中大多數又發生在回采工作面，約占70%。為預防回采工作面頂板事故，首先應對其基本特征進行分析。
（一）工作面冒頂事故的基本特征
據我國各礦區歷年的事故統計分析，工作面頂板事故發生的地點、條件和方式均有一定的規律性，認識和掌握這些規律對監測和控制冒頂的發生是很有必要的。
1、頂板類型 發生冒頂的工作面頂板往往是較軟的、較硬的、復合頂板或鑲嵌型頂板。較軟的頂板中有再生頂板、偽頂、松散型及破碎型頂板，如近距離煤層上層回采后的下煤層頂板呈現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等。復合頂板或稱離層型頂板的巖性結構為下軟上硬，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。據統計，這三類頂板發生事故約占全部工作面頂板事故的70-80％，其中以復合頂板下發生事故最多。地質構造帶如斷層、褶曲附近，頂板容易破碎，也易引起冒頂。
2、冒頂地點 按工作面發生冒頂的位置，主要在兩端兩線，即上下端頭、煤壁線（梁端到煤壁無支護空間）、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的位置，有將近70-80％的頂板事故發生在初放期間，其中多數事故發生于工作面離開切眼小于10m范圍內，常處于工作面初次來壓前。
3、支護形式 頂板事故與支護機械化程度關系極大。據統計，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，單體液壓支柱工作面約占工作面總數一半以上，是支護質量監測的主要對象。
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。推垮型冒頂事故經常與復合頂板以及初采期相聯系，其垮落特征為：(1)冒頂前采場頂板壓力不大，支柱沒有明顯變形及損壞，支柱活柱極少下縮；(2)冒頂后上部硬巖層懸露不冒，也有只冒數個大塊，冒頂高度有限；(3)冒頂巖塊在垮落前一般四周已有裂縫，且沿傾斜下方有冒落空穴或臺階狀自由面作為巖塊移動的去路；(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，約占冒頂事故總數的7%，次數雖然不多，但造成損失較嚴重，通常表現為來壓前頂板平整，來壓時采場煤壁片幫加劇，頂板沿煤壁切開呈臺階下沉，頂板急劇下沉，采空區懸頂掉碴，活柱急劇下縮或折損，隨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。頂板主要由松散的巖層或再生頂板組成，當端面空頂較大或假頂破損或封頂不嚴時才發生漏頂，或在地質變動帶掉碴抽空，加上大塊冒矸下砸使支架失穩而冒頂，這類冒頂范圍較小，一般為2-3m，但處理不當也可能擴大冒頂范圍。
第四類為沖垮型。頂板主要為堅硬巖層，在采空區懸頂較大，冒下的巨塊巖石沿傾斜滑向煤壁，沖倒特種支架，形成冒頂。分層開采時假頂上方的巨塊巖石下滑活動而引起倒柱冒頂。
第五類為局部巖塊冒落型。這種頂板結構常為鑲嵌型結構，頂板受人字劈、草帽劈等影響，或有鍋底狀包裹體，加上支護不及時，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，但事先少有預兆，容易被人忽視。
從以上分析可知，不論哪種冒頂均是由于在一定條件下礦山壓力作用于采場圍巖，通過老頂、直接頂或復合頂以及煤壁、采空區矸石等形成的各種礦山壓力顯現。這種礦壓顯現需通過支護的支撐力、正確的阻力分布及側向穩定性來控制，當支架與圍巖間出現力的不平衡時，就可能產生各種類型的冒頂。
防止冒頂是回采工作面頂板管理的中心任務，其內容主要有以下幾方面：
1、合理選擇開采方法、開采順序及巷道布置等以減小采場的頂板壓力；
2、合理設計采場支護，正確確定其型式、阻力、布置等參數，并進一步促進支護改革，強化支護手段；
3、認真進行頂板動態監測，掌握頂板活動規律，尤其對于老頂來壓劇烈而支護能力較弱的單體支柱工作面，進行來壓預測預報，提前采取措施，避免產生壓垮型或引起其他形式的冒頂事故；
4、經常全面地進行支護質量監測，保證支架處于有效、良好的工作狀態，對重點地區事故多發地段及時著重監測，邊測邊改，為生產技術管理及時提供信息及依據，實行科學管理。
（二）采面支護質量與頂板動態監測的發展
回采工作面的支護質量與頂板動態監測的發展大致經歷了三個時期。
1、頂板壓力預報及三量觀測
1964年西山礦務局提出了頂板壓力預報的方法，其內容偏重于地質變化及來壓預報，先進行煤層賦存的地質條件以及生產技術因素的調查，并適當觀測一些必要的特征量，在分析研究的基礎上，提出預報及制訂措施。
預報分為長期、中期及短期三種。長期指工作面的整個開采期間；中期指未來一旬或半月內預報一次；短期指每5天內預報一次。
預報內容指壓力變化的地點、時間和危險程度以及技術措施。預報要簡明易懂，圖表化。同時，在礦壓三量觀測的基礎上，開始對頂底板相對移近量、移近速度、支柱載荷及活柱下縮量進行定量觀測。
2、利用超前巷道內礦壓顯現變化作頂板動態預報并對工作面工程質量標準，進行檢查評級
1982年原山東礦院同志首先在棗莊局發現，當上覆堅硬巖層超前斷裂時，在工作面上下兩巷內測得頂板反彈信息，可以作為工作面來壓預報的基礎，由此發展一種利用動態儀布置在工作面前方的巷道內捕捉信息進行頂板動態預報的方法，以后在銅川、徐州等局還發展了利用超前巷道內壓力變化作為預報頂板動態的方法。
原煤炭部制定的幾次加強頂板管理的若干規定，如簡稱19條、30、20條等，規定要加強礦壓觀測工作及保證支護質量標準，如達不到性能標準的支柱不準入井，摩擦式金屬支柱初撐力不得小于2t,推廣5t升柱器等。
3、工作面支護質量與頂板動態日常監測
頂板動態預報，在預防老頂劇烈來壓威脅采場安全中發揮了較好的作用。如在北京礦務局由刀柱法管理頂板轉變為垮落法管理頂板時，在徐州局、棗莊局等事故多發條件下，能較準確地預報來壓。原煤炭部生產司制定的頂板管理條件，為今后科學管理頂板，大幅度減少頂板事故打下基礎。
在此以前的礦壓觀測與來壓預報有以下不足之處：
(1)礦壓觀測一般需占用較多人員，觀測數據的整理較費時，觀測線常設在中部，代表面較窄，尤其與事故發生地點及時間可能不符，指導生產還不夠及時。
(2)礦壓觀測與支護質量聯系不夠密切，而控制圍巖避免發生冒頂的主要手段是靠支護，因此在作業規程既定的情況下，保證支護質量是最首要的。
(3)檢查支護質量側重直、勻、及時，但更重要的應該是支架的內在質量，即支柱應具有足夠的初撐力及工作阻力，而且應能及時發現問題，及時整改。
1988年新汶礦務局與中國礦大首創的支護質量與頂板動態監測在克服上述不足之處方面有很大改善，使礦壓觀測與生產管理的結合發展到新階段，并隨著全國推廣出現不少新做法、新指標、新儀器，使監測方法更為完善，從而可將工作面的控頂工作納入科學管理的軌道。
二、單體支柱工作面支護質量與頂板動態的監測
（一）以比值為主要監測指標的監測方法
所謂比值就是頂板下沉量與活柱下縮量之比．現首先以新汶局與中國礦大開始推出的方法為例。其具體做法如下：
1、設置觀測線與量測數據
沿工作面每10m左右設一條觀測線，每一條觀測線代表其上下各5m左右范圍內的情況，量測各觀測線上各排支柱處的采高及支柱的活柱高度，若以首排測得的值為基礎，則隨著工作面的推進就可測出該排相對煤壁不同距離時，即處于各控頂排的頂板下沉量（實際為頂底板相對移近量）簡稱頂沉及活柱縮量，或稱柱縮，其布置如圖1所示。

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