浅析推垮型冒顶事故的发生机理

!" 浅析推垮型冒顶事故的发生机理 王世潭 摘要：对推垮型冒顶事故产生的原因，形成机理进行了探讨。 关键词：采煤工作面；推垮型冒顶事故；机理 中图分类号：#$%"&’ " 文献标识码：( 文章编号：)*&" + ,--./",,% 0,* + ,,!" + ," 收稿日期：",,%—,*—)% 煤矿开采受客观条件所限，冒顶事故时有发生。据我省 统计资料明：)11) 2 )11! 年五年中全省煤矿因事故死亡 "!! 人，其中因顶板事故死亡 )-) 人，顶板事故死亡人数占各 类事故伤亡人数的第一位，在冒顶事故中，回采工作面冒顶 事故最突出，占总数的 &,3以上，其次是掘进。顶板事故成为 当今煤矿一大灾害，按其危害程度分为局部和大面积冒顶， 大面积冒顶按其发生的机理可分为压垮型和推垮型两类。因 推垮型冒顶在我省煤矿发生机率相对小，生产实践中往往重 视不够，思想麻弊，一旦发生，极易造成严重损失，危害极 大。本文仅对推垮型冒顶发生的机理、规律作初浅的探讨。 ) 推垮型冒顶发生的机理 推垮型冒顶，通常是指因采场支护质量差，无法阻止顶 板下沉量的增大，在回采过程中，受某一工序或一些因素影 响，使“支架一围岩”体系平衡破坏，而诱发推倒支架，引起的 大面积冒顶。 本文结合矿山压力显现规律，通过对采面“顶板一支架 一底板”结构体的分析，认为推垮型冒顶事故和产生不但受 直接顶自身条件的影响，更是采场支护与矿压相互矛盾相互 作用的结果。 )’ ) 采场支护及直接顶自身状况影响着各类冒顶事故的发生 直接顶是回采工作面维护的对象。直接顶的完整程度及 稳定性与工作面冒顶事故发生的型式密切相关，从而影响着 工作面的安全性，也影响着工作面所选择的支护方式。 直接顶的稳定性很大程度上取决于节理裂隙的发育情 况及岩层本身的力学性质。通常节理裂隙可分为原生裂隙、 压裂裂隙及构造裂隙三类。 原生裂隙是岩层在形成过程中由于温度，矿物结晶及沉 积的作用而形成的弱面。 构造裂隙是由于岩层形成之后，经剧烈的地质变动如挤 压、扭曲等而形成的弱面，常贯穿于煤层和岩层中。 压裂裂隙主要是由于煤层开采后支承压力的作用而形 成的破坏面，常发生于比较软的直接顶中。 在煤矿生产中，工作面常遇到的被称为“人字劈”或“升 斗劈”的弱面（如图 )）正是上述节理裂隙发育的结果。各种弱 面的存在容易使直接顶冒空，导致支架顶梁与顶板的接顶情 况恶化，无法利用支架的工作阻力，在一定条件下，易产生局 部冒顶，给推垮型冒顶发生创造了条件。 图 ) / 4 0顶板人字劈 图 ) /5 0顶板升斗劈 )’ " 推垮型冒顶形成过程分析 )’ "’ ) 直接顶离层下沉，“独立切块”产生 当工作面开采后，随着工作面的推进，直接顶悬露面积 逐渐增大，在重力作用下，开始离层下沉。此时由于采场支架 初撑力小，系统刚度低，无法控制这一顶板下沉趋势，随着工 作面的继续推进及时间推移，顶板下沉量增大，使原“支架一 围岩”平衡结构开始遭到破坏，特别是直接顶各类裂隙对支 护的负面影响充分表现出来，在受拉应力和剪应力的作用 下，下沉顶板与四周顶板断裂，并因直接顶原有裂隙影响，呈 现明显切茬，形成互相咬合的“独立切块”，并由支架支承 着。在顶板下沉的过程中，随着支架压缩变形，其支承力反而 逐渐提高，当顶板下沉量达到某一极值K时，新的“支架一围 岩”平衡体系已经形成，如图 "所示。 图 " 直接顶离层下沉 )’ "’ " “独立切块”移动空间产生 在直接顶下沉过程中，由于顶板裂隙及工作面支护不均 衡等，再加上人为放顶的影响，造成“独立切块”倾斜下方顶 板冒落，使原先无法移动的处在相对平衡的“独立切块”有了 可自由移动的空间（自由度），如图 % 所示。 图 % “独立切块”存在移动空间 第 ")卷 第 *期 678’ ") 97’ * ",,%年 )"月 $:;’ ",,% 龙岩师专学报 <7=>?48 7@ A7?BC4? #:4;D:>E F788:B: !" #$ %$ " “独立切块”受力影响，失去稳定，推垮型冒顶发生 “独立切块”受其自身重力在倾斜方向分力 &#的作用， 有向倾斜下方移动的趋势。而支架支撑力在倾斜方向上的分 力 ’#与 &# 方向相反，但因支护质量差，’# (&#无法阻止其 移动或因支架迎山角不当（退山），倾斜方向上的分力 ’#与 &# 方向一致。这样不但不能起到阻止“独立切块”移动的作 用，反而促使其移动，在合力 )（’Q# * &Q# + )）作用下，原处于 平衡状态的“支架一围岩”体系很快破坏。在放顶、放炮、改柱 等工序的诱发下，加快其整体移动的速度，使其最终推倒支 架，形成推垮型冒顶。如图 , 所示。 图 , “独立切块”受力加快运动 另一种情况是在顶板坚硬条件下，顶板尚完整，工作面 大面积来压，在采空区悬露的坚硬顶板冒落时，易于形成对 支架向煤壁方向强大的水平推力。此时，若采面支架支护质 量较差，受力不均，容易因个别支柱先推倒失效导致“多米诺 骨牌效应”发生，从而形成推垮型冒顶。 % 推垮型冒顶发生的特点 通过对推垮型冒顶机理的分析，并结合生产实践经验及 事故现场观察，发现推垮型冒顶有如下特点： - # . 从冒顶发生的时间分析，一般发生于老顶初次来压 之前，直接顶初次来压期间，此时，老顶岩梁未发生断裂，但 工作面放顶时，造成强大的水平推力推倒支架。 - % . 从回采工序分析，大都发生在放顶、放炮、改柱过程 中。 - " .从冒顶推垮方向分析，大都发生在倾斜壁式，仰斜推 采的工作面。推垮方向多为采空区侧，即采空区偏煤层倾斜 下方。 - , . 从冒顶的范围分析，通常为煤壁至切顶线，且面积 大，对工作面破坏严重，损失大，恢复生产难度大。 " 结束语 本文从理论上阐述了推垮型冒顶发生的机理，并总结出 其发生规律和特点，对提高工作面技术管理和现场管理水 平，及时采取有效，扼制事故发生，减少灾害损失，改善 矿井安全状况有一定现实意义。 参考文献： / # 0王家廉1 吴绍倩 $ 煤矿地下开采方法 /)0 $ 北京2 煤 炭工业出版社1 #34!$ /% 0钱鸣高1 刘听成 $ 矿山压力及其控制 /)0 $ 北京2 煤 炭工业出版社1 #345$ RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR -上接第 ,, 页 . , 结束语 通过上述分析讨论，电网应按以下优化运行： / # 0 要使电网运行效果最好，运行中应使固定损失等于 可变损失； / % 0电容补偿应以分散补偿为最好； / " 0 电容补偿后应调整运行电压，保持电网的最优运行 条件； / , 0电网的最佳运行是在功率因数接近于 #，且符合最优 运行条件下。 参考文献： / # 0苏文成$工厂供电 /) 0 $北京：机械工业出版社，#34#$ /% 0张玉绪$发电厂及变电所的二次接线 /) 0 $北京：电力 工业出版社，#346$ / " 0《工厂常用电气设备手册》编写组$ 工厂常用电气设 备手册 /) 0 $北京：水利电力出版社，#34"$