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深部三软煤层顶板灾害主控因素分析

发表时间：2021/9/3 来源：《教学与研究》2021年8月中作者：李红行

[导读] 深部三软煤层顶板事故在煤矿安全事故中占比较大，并且存在许多类型，顶板事故的发生既有矿山压力、地质构造等客观原因，也有技术、管理等主观因素的影响。

郑煤集团芦沟煤矿李红行

摘要：深部三软煤层顶板事故在煤矿安全事故中占比较大，并且存在许多类型，顶板事故的发生既有矿山压力、地质构造等客观原因，也有技术、管理等主观因素的影响。为有效预防顶板事故本文以芦沟矿为例，运用事故树分析法对可能造成芦沟矿三软煤层顶板事故的危险有害因素进行风险识别，根据风险识别的影响因素绘制事故树并求得最小径集和结构重要度。结果表明整个项目中无支护、安监部门管理不力、管理人员未认真检查、工人缺乏安全常识、支柱不合格等因素占主导地位，针对分析结果提出安全管理、支护技术、地质水文、人员安全意识等四个方面的防范措施，对指导煤矿顶板事故的预防工作具有重要的理论价值和实践意义。
关键词：事故树分析；三软煤层；风险控制
        1.引言
        我国是煤炭资源储存大国，已探明的煤炭总储量为 5.57 万亿吨，位居全世界第一位。近年来，随着我国社会经济飞速发展，能源的需求量迅速增大[1]。煤炭一直是我国的主要能源之一，我国约70%的能源来源于煤炭。随着我国煤炭的日益开采，浅部煤层已经远远无法供给，目前大多数煤矿开采深度已经达到1000m以上，开始进入煤矿深部开采的行列。深部煤层在开采过程中，深部地应力会随着开采深度的增加而增加，并且展现出了诸如高应力、高渗透压、高地温等特点，其次，在深部采掘煤层还会改变其原有的地应力分布，致使顶板发生冒落、塌陷、破碎以及透水等事故[2]。“三软”煤层是指煤矿开采中遇到的：软的顶岩底板、软的主采煤层和软的煤层底板岩层，一般情况下，具有三软特征的煤矿煤层和顶底板均为软弱岩层，煤层裂隙发育，构造复杂[3-4]。由于三软煤层顶板需要承受较大应力，容易成为煤矿事故的高发地点。因此，加强采空区顶板灾害分析与评价，对于提高煤矿安全生产水平具有十分重要的意义。
        本文以卢沟煤矿2号煤层为研究对象，运用事故树分析法，评估其顶板稳定性，并提出防止其发生顶板事件的有效措施，为其他深部煤层开采顶板稳定性评价提供借鉴。
        2.理论基础
        2.1 事故树理论
        事故树（FT）也被称之为故障树，其形状像一颗倒立着的树。事故树的顶点节点表示系统索要分析的事故，树的根部节点表示导致顶点事故发生的具体原因，树的枝桠中间节点则表示由基本原因所促成的结果事件爱你，又是系统事故的中间原因；事故因果关系的不同性质用不同的逻辑门来表示，这样画成的一个“树”就是事故树。
        事故树分析(FTA)起源于美国，1961年美国贝尔电话研究所在研究民兵式导弹发射控制系统的安全性评价时，首先提出了这个方法，随后对其进行了改进。其后，美国波音飞机公司又对这个方法做了重大改进，并采用电子计算机进行辅助分析和计算。1974年美国原子能委员会运用事故树分析对核电站事故进行了风险评价，发表了著名的《拉姆逊报告》，该报告对事故树分析做了大规模有效的应用。此后，该方法在社会各界引起了极大的反响，受到了广泛的重视，从而迅速在许多国家和许多企业应用和推广。
        2.2 事故树基本步骤
        1）确定事故树顶上事件
        所谓顶事件是指确定所要分析的对象事件。通过全面了解所分析的对象系统的运行机制和事故情况后，根据事故调查报告分析其损失大小与事故频率，从中找出后果严重且容易发生的事故作为分析的顶事件。在确定顶事件时，要坚持一个事故编一棵树的原则且定义明确。
        2）调查与顶事件有关的所有原因事件
        从人、机、环境和信息等方面调查与事故树顶事件有关的所有事故原因，包括设备故障、机械故障、操作者的失误、管理和指挥错误、环境因素等，从而确定事故原因并进行影响分析。
        3）确定分析的深度
        根据上述资料，从顶事件开始进行演绎分析，逐级找出所有直接原因的事件，直至所要分析的深度。采用一些规定的符号，按照一定的逻辑关系，把事故树顶事件与引起顶事件的原因事件绘制成反映因果关系的树形图。
        4）编制事故树
        从顶事件开始进行演绎分析，逐级找出所有直接原因的事件，直至所要分析的深度。采用一些规定的符号，按照一定的逻辑关系，把事故树顶事件与引起顶事件的原因事件绘制成反映因果关系的树形图。
        3.工程实例
        3.1 芦沟煤基本概况
        32141工作面位于32采区西翼下部，作为21煤柱面上段工作面的接替面。该面位于32运输下山以西，北部为32121工作面采空区，南部为魏寨断层及其支断层保护煤柱。该面井下标高-325～-261m，地面标高+215～+240m。工作面地表东南部为五星水库，西部为王家门，以南为马沟村住房及村小学，北部为五星水库及果园。工作面沿煤层走向布置，平均倾斜长度 120m，平均可采走向长720m，面积84279m2，煤层厚度1.0～22.0m，平均8.0m，可采储量75万吨，采用综采放顶煤一次采全厚采煤工艺。
        3.2 芦沟矿顶板风险识别
        1）地质环境风险
        芦沟煤矿32141工作面煤层结构简单，为黑色粉末鳞片状，块状煤质较硬，具有金属光泽，受轴部向斜构造影响，煤层顶底板局部有起伏性变化，属不稳定型煤层，地质环境复杂，遇到破碎断层带容易对支护造成影响。开采时若是给开采煤体或周围岩石造成较大冲击，会导致煤层顶板压力过大，从而发生顶板冒落事故。
        2）顶板自身因素
        沉积环境影响岩石形成时的成分和结构，对顶板来说，形成过程中沉积环境也影响了其稳定性。特别是遇水后，可能出现软化现象，造成顶板坍塌的风险。
        3）安全管理因素
        芦沟煤矿工程项目大，涉及到的人员多，管理上比较困难。在煤矿开采时，若是开采的角度，开采形式或者开采范围等管理不够规范，会导致顶板冒落事故的发生。对于工作面顶板或者巷道内的各种支护措施检查不够仔细，无法对问题进行针对性解决，会出现安全隐患。此外，煤矿安全管理人员意识差、能力不足等也会发生顶板事故。
        4）支护技术因素
        不合理的开采技术会对煤矿顶板造成较大影响，可能会直接导致顶板发生事故。在支护方面，若是在现场工作时，锚杆长度不够，锚喷厚度不足、支护方案不合理等都会导致支护设施无法支撑顶板，从而造成顶板冒落事故。由于在开采过程中，开采同一工作面的时间过长，就会导致开采上方的顶板支撑时间过长，承载的压力超过范围，导致顶板逐渐变形，造成顶板塌陷。
        3.3 事故树绘制
        顶板事故与地质构造、水文、岩体性质、支护因素和安全管理等因素有关，根据上述风险分析绘制的顶板事故事故树如图1所示：

3.4 结构重要度分析
由计算可知，该是古树共有48个最小割集，4个最小径集，且径集的个数明显小于割集。其最小径集分别为：

        根据结构重要度原则，单事件最小割集中底事件结构重要度系数最大，仅出现在底事件个数相等的若干个最小割集中的各底事件结构重要系数依出现次数而定，即出现次数多，则结构重要系数大;出现次数相等，则结构重要系数相等。根据最小径集的计算结果来计算各因素的其结构重要度，带入结构重要度公式计算。得到各基本事件的结构重要度排序为：I(7)=I(16)>I(18)=I(15)>I(9)>I(14)>I(17)>I(10)=I(1)>I(2)=I(3)=I(4)=I(11)=I(12)=I(13)>I(5)=I(6)>I(8)，即无支护=安监部门管理不力>管理人员未认真检查=工人缺乏安全常识>支柱不合格>冒险工作>未及时进行检查>有断层破碎带=顶板松软>岩石强度不足=直接顶厚度=支护强度不足=煤突出特征=地下水作用=深部应力集中>巷道矿柱偏小=支护方案不当>无备用支护。
        由事故树和上述计算结果分析可知，在芦沟煤矿32141工作面深部煤层开采时，能导致顶上事件顶板事故发生的基本事件一共有18个，其中最容易引起顶板事故发生的因素是管理因素和支护因素，其次是顶板自身因素，地质环境因素对其影响相对较小。从定性分析的结果来看，该事故树一共有48个最小割集，说明导致顶板事故发生可能的最小路径有48条，为后面的事故分析提供了必要的依据。从结构重要度的定量计算结果来看，所有的18个基本事件中，结构重要度最大的是无支柱和安监部门管理不力，其次为工人缺乏常识、安全管理人员未尽责等安全管理问题，最小结构重要度是无备用支护。
        4.深部三软煤层顶板事故的防控防范措施
        1）安全管理方面
        企业应当加强对顶板作业的管理，对于所有煤矿管理者来说，必须要意识到顶板安全管理的重要性，对采矿安全管理知识和矿山结构有较深的认识。对于煤矿井下一线员工来讲，更要注重对他们的安全教育并结合采矿工艺开展培训，帮助一线员工们掌握必要的职业技能，还要制定相关的考试合格上岗要求，强化一线员工培训效果。强调在开采作业时，由煤矿开采工作的安全管理人员进行专项任务布置，保证将安全措施有效落实后再进行开采。将收尾工作的工作面管理作为重点管理内容，在收尾工作时，安全员要对工作面的顶板压力集中和分布情况仔细观察，将具有支护作用的防护措施做好，可以有效防止煤层顶板受压过大而造成的冒顶事故。
        2）支护技术方面
        煤矿在开采过程当中，对于支护技术方面要着重于加强单体支柱方式。对煤矿开采工作面以及巷道上方镶嵌的挡板承压能力和结构进行详细的分析，根据顶板的特性对顶板支柱进行优化设计，加强其承压支撑能力，为煤矿开采工作的安全提供稳定基础。还要注意在开采过程中工人使用的爆破开采技术要严格控制，避免在爆破的过程中破坏顶板结构。在面对岩层强度不理想开采面时，必须要在巷道中架设永久性支架，同时永久性支架的架设要及时，避免造成上部岩层在卸荷之后产生大变形。此外，要定期检查所有井巷的支护情况，如有问题应该及时进行维修或更换。
        3）地质水文方面
        由于深部三软煤层顶板事故的发生与地质条件有一定关联，为此要保证前期的勘探质量，更好的掌握可能存在的顶板事故隐患，进而做到有效预防。在进行支架搭建时，也要与地质条件相契合，确保支护结构的稳定性。还应尽可能的采用先进的采煤设备及工艺，对于顶板事故也有较好预防效果。此外，还要做好工作面岩层的监测工作，以免因岩层压力的变化而导致冒顶事故发生。
        4）人员安全意识方面
        开采人员作为煤矿深部三软煤层顶板事故的主要受害者，应当提高自身的安全意识，煤矿开采工作具有一定的危险性，需要每一个地下工作人员都具有严谨的工作态度和安全防控能力。应当对地下工作技术人员进行培训，不仅要提高其开采技术，降低风险，还要加强工作人员在面对事故发生时的应对能力，减少顶板事故发生时的伤亡人数。此外，煤矿企业应该完善地下工作人员的防护设备，更好地保障其人身安全。
        5.结论
        事故树分析法分析生产事故的重要工具和有效工具，使用事故树可以寻求造成事故发生的原因及个原因之间的相关关系，由此可以掌握事故发生的内在机理和表现形式，为获取预防事故发生的最佳方法提供强有力的支持。本文以芦沟煤矿32141工作面深部三软煤层为例，探讨了事故树在煤矿安全生产中的应用价值和方法，得出了以下结论：
        1）深部三软煤层顶板事故的发生既有煤岩压力、地质构造等客观原因，也有支护技术、人员管理等主观因素的影响，为有效预防顶板事故，应当重视各方面的影响因素，切实保障煤矿安全。
        2）利用事故树分析法求出造成深部三软煤层顶板事故各因素的结构重要度，得出整个项目中无支护、安监部门管理不力、管理人员未认真检查、工人缺乏安全常识、支柱不合格等因素占主导地位。
        3）煤矿深部三软煤层顶板事故的防控防范措施应当从安全管理、支护技术、地质水文、人员安全意识等几个方面入手，为有效预防顶板事故，应当重视顶板安全管理工作，并且要依据地质条件合理设置顶板安全防护措施，切实保障煤矿安全。
参考文献
[1]张辉.“三软”煤层上保护层开采下伏煤岩裂隙演化规律研究[D].青岛理工大学,2018.
[2]赵云佩,张民波,崔力.深部突出煤层顶板稳定性评估[J].煤炭与化工,2020,43(08):1-5+8.
[3] 时吉贺. 告成矿滑动构造影响下三软煤巷支护技术研究[D].中国矿业大学,2014.
[4] 舒波,谢小平,管育春,朱江华.“三软”煤层开掘回采巷道数值模拟分析[J].山东工业技术,2018(03):77.
作者简介：李红行，男，郑煤集团芦沟煤矿总工程师，研究方向为煤矿开采、灾害治理