煤巷冒頂事故成因，以及如何預(yù)防

據(jù)新華社消息，1月12日18時(shí)許，陜西省神木市百吉礦業(yè)李家溝煤礦發(fā)生井下冒頂事故。據(jù)最新消息，被困井下的21人全部遇難。

李家溝煤礦位于陜西省神木市東北部，地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)，按形態(tài)和成因分類，區(qū)內(nèi)地貌可分為兩大類，黃土梁峁區(qū)及溝谷區(qū)，其中以黃土梁峁區(qū)為主。由于遭受長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕，煤層與基巖在溝谷中見(jiàn)有出露。礦井設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為17.78 Mt，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，礦區(qū)采用平硐開(kāi)拓方式，全礦區(qū)劃分為一個(gè)水平，水平標(biāo)高+1 185 m，全區(qū)可采煤層只有1層即5-1煤。

李家溝煤礦屬于神府礦區(qū)的一部分，區(qū)內(nèi)地面廣泛覆蓋著現(xiàn)代風(fēng)積砂及第四系黃土層、新近系紅土層，屬半掩蓋區(qū)。李家溝煤礦地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體趨勢(shì)為一個(gè)傾角小于1°，緩緩向西傾斜的單斜構(gòu)造。煤礦前期勘探及后期采掘生產(chǎn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)斷層，也無(wú)巖漿活動(dòng)的跡象，但煤礦生產(chǎn)中揭露區(qū)內(nèi)沖刷帶發(fā)育，煤層遭侵入剝蝕。

巷道頂板災(zāi)害是我國(guó)煤礦各類災(zāi)害中發(fā)生頻率最高和死亡人數(shù)最多的災(zāi)害，頂板支護(hù)安全是控制煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巷道冒頂成因方面做了大量工作。

國(guó)內(nèi)方面：

根據(jù)GSM分類方法，可將巷道冒頂成因分為3類： ①與自然地質(zhì)因素有關(guān)的G 型冒頂； ②與支護(hù)因素有關(guān)S 型冒頂； ③與采掘技術(shù)因素有關(guān)M 型冒頂。

張恩強(qiáng)等總結(jié)分析冒頂事故，將煤巷冒頂原因分為4 類： 未( 及時(shí)) 支護(hù)冒頂、頂板整體失穩(wěn)塌垮冒頂、支護(hù)材料與頂板變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致冒頂、支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致冒頂。

賈明魁等通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)18 個(gè)礦井調(diào)研統(tǒng)計(jì)和文獻(xiàn)查閱冒頂事故162 起，分析冒頂原因，將冒頂原因分成4 個(gè)大類、12 個(gè)亞類，分別為巖層組合劣化型、巖層結(jié)構(gòu)缺陷型、應(yīng)力突變型和施工不良型。

國(guó)外學(xué)者對(duì)巷道冒頂原因進(jìn)行的研究：

帕特里克等依據(jù)巷道冒頂幾何形分了4 類： 半球形冒頂、拱形冒頂、小塊體冒頂、脫層冒頂。

美國(guó)學(xué)者韋爾依據(jù)印第安納州特殊地區(qū)地質(zhì)條件將巷道冒頂分為6 類： 頁(yè)巖成碎屑或潮解冒頂、砂巖凸起冒頂、結(jié)核冒頂、煤柱片幫導(dǎo)致冒頂、黏土類冒頂、大塊體冒頂。

然而，巖體經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史發(fā)展，受多種因素影響如成因作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等使巖體結(jié)構(gòu)多樣性，而巷道存在于這樣的巖體環(huán)境中，在不同的巖體環(huán)境下，巷道冒頂機(jī)理、冒頂高度、危害程度、破壞體特征、冒頂區(qū)幾何形態(tài)等也不同。

龍巖連城煤礦發(fā)生一起巷道頂板巨石墜落事故，地下深110 m巨石埋壓2 名工人，塌落巨石長(zhǎng)約4.5 m，寬約2.5 m，高約2 m，質(zhì)量約5 t。 

保德煤礦在回采過(guò)程中，巷道發(fā)生1 起冒頂事故，冒頂形態(tài)呈蝶葉形，頂板破壞深度不對(duì)稱，此類巷道冒頂事故常伴有支護(hù)體的破壞失效，巷道蝶葉冒頂形態(tài)素描。

在斷層附近巖體節(jié)理裂隙非常發(fā)育、巖體松散破碎的巷道附近某礦發(fā)生一起冒頂事故，冒落體積85 m3，冒頂規(guī)模長(zhǎng)×寬×高為5.7 m×4.3 m×3.0 m，冒頂形態(tài)似呈近似自然拱，冒頂區(qū)的錨桿全部掉落。

煤巷冒頂事故分類

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）馬念杰教授課題組基于近200 起煤巷冒頂事故，從圍巖體客觀存在的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征角度，系統(tǒng)研究了巷道典型冒頂事故與圍巖體環(huán)境之間關(guān)系，提出了以煤巷冒頂控制為目標(biāo)的新的冒頂成因分類標(biāo)準(zhǔn)及方法和相應(yīng)的支護(hù)對(duì)策。

裂隙圍巖體巷道頂板局部塊體墜落型冒頂事故

巖體受多種因素影響造成圍巖體內(nèi)裂隙增加，而巷道圍巖體被這些裂隙分割成具有不同幾何形狀和不同尺度的塊體，當(dāng)巷道開(kāi)挖后，巷道局部塊體暴露在鄰空面上，使某些塊體沿結(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn)墜落。

在調(diào)研的巷道冒頂事故中，巷道橫向方向上塊體墜落時(shí)有發(fā)生，一般是小塊體墜落，塊體墜落高度不超過(guò)錨桿長(zhǎng)度，而巷道縱向上塊體墜落偶爾也會(huì)發(fā)生，一般則是大塊體墜落，巷道縱向塊體事故危險(xiǎn)程度高、冒頂規(guī)模大，損毀后果嚴(yán)重。

弱黏結(jié)層狀圍巖體巷道復(fù)合頂板垮落型冒頂

煤系地層具有明顯的層狀巖體結(jié)構(gòu)特征，受不同沉積環(huán)境和地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，巷道開(kāi)挖后，頂板條件復(fù)雜多樣，甚至同一條巷道的頂板巖層條件都會(huì)發(fā)生較大變化。

在調(diào)研的巷道頂板事故中，層狀復(fù)合頂板巷道冒頂事故占巷道冒頂事故總數(shù)的絕大部分，冒頂原因主要是頂板巖層間的組合劣化所致，即軟巖變厚、硬巖變薄或出現(xiàn)軟弱夾層等組合，造成錨桿( 索) 長(zhǎng)度不能適應(yīng)頂板巖層組合劣化后的高度，導(dǎo)致巷道個(gè)別地段發(fā)生冒頂事故。

蝶形塑性區(qū)碎裂圍巖體巷道頂板冒落型冒頂

在水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相差較大的構(gòu)造應(yīng)力區(qū)、高支撐壓力集中區(qū)和斷層等附近，原巖應(yīng)力場(chǎng)常為雙向不等壓應(yīng)力場(chǎng)，側(cè)壓系數(shù)一般不等于1，尤其是采動(dòng)條件下，巷道圍巖雙向應(yīng)力的比值隨著采動(dòng)影響而發(fā)生改變，圍巖塑性區(qū)不再是圓形和橢圓形塑性區(qū)分布，巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)一種像蝴蝶形狀的塑性區(qū)，簡(jiǎn)稱蝶形塑性區(qū)。

當(dāng)巷道圍巖載荷方向發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，致使巷道圍巖產(chǎn)生不對(duì)稱破壞，頂板破壞深度一側(cè)明顯大于另一側(cè)，載荷方向變化會(huì)使蝶形塑性區(qū)的翼角部分出現(xiàn)在巷道頂板上方，容易產(chǎn)生冒頂，對(duì)巷道的維護(hù)極為不利。

松散圍巖體巷道頂板漏冒型冒頂

在調(diào)研的巷道冒頂事故中，還有相當(dāng)一部分發(fā)生在斷層附近，主要包括：小斷層附近松散破碎頂板支護(hù)不當(dāng)引起的冒頂以及隱含小斷層支護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致松散破碎頂板冒頂事故。

煤巷冒頂控制技術(shù)體系

針對(duì)煤巷頂板關(guān)鍵塊體墜落、層狀復(fù)合頂板垮落、蝶形塑性區(qū)碎裂頂板冒落和松散頂板漏冒特點(diǎn)，以煤巷冒頂成因?yàn)榛A(chǔ)分類，提出了冒頂控制技術(shù)體系：

冒頂控制技術(shù)體系

1.普通錨桿控制局部塊體墜落。

2.常規(guī)錨索控制小變形層狀復(fù)合頂板垮落。

3.專用錨索控制大變形蝶形塑性區(qū)碎裂頂板冒落。

4.聯(lián)合支護(hù)控制特殊條件頂板漏冒。

該支護(hù)對(duì)策可較好地控制煤巷冒頂事故，具體支護(hù)對(duì)策如下： 

使用普通錨桿可以有效控制由節(jié)理裂隙等弱面切割產(chǎn)生的局部塊體墜落。

使用普通錨索能夠有效防止小變形巷道的弱黏結(jié)層狀復(fù)合頂板的梁式垮落。

對(duì)于大變形蝶形塑性區(qū)碎裂頂板巷道，采用普通錨索支護(hù)時(shí)經(jīng)常發(fā)生破斷，需要使用具備變形性能的專用錨桿和錨索。

在地質(zhì)破碎帶、松散軟弱巖層中的巷道，必須采用專門措施，極破碎處巷道可以采用注漿加固措施。