綜放工作面上覆巨厚砂礫含水層的活動規(guī)律與控制關鍵技術研究

劉生優(yōu)

（1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.神華集團有限責任公司，北京市東城區(qū)100011）

神華伊敏河東礦區(qū)主采煤層厚度15 m 以上，頂板巖層為煤、泥巖、粉砂巖、砂巖、含礫砂巖。巖層巨厚、富水性強、膠結松散、抗壓強度低、直接頂的隔水層薄或無隔水層，綜合機械化放頂煤開采過程中存在突水、潰沙、潰泥威脅，傳統(tǒng)水下開采的安全煤柱留設理論不能解決放頂煤的安全問題，因此研究綜放開采過程中上覆巖層活動規(guī)律、防治突水潰沙技術和圍巖控制理論，以解決巨厚、松散、強含水層無保護煤柱開采的關鍵技術難題。

1 開采煤層賦存條件

礦井主采煤層為16-3煤層，該煤層部分分叉為16-3上和16-3，且16-3上普遍厚度為15.5m，16-3普遍厚度為25 m，煤層的普氏硬度系數為2～3。

1.1 頂板巖性與水文地質特征

煤層頂板距離地表343m，地表向下厚89.5m依次為0.5m 厚表土、38m 厚細沙、30m 厚砂礫巖和21m 厚泥巖砂巖互層，這些對放頂煤開采沒有安全影響。

把煤層上覆211m 作為研究對象，從16-3上煤層頂板向上，自下而上劃分為3個隔水層和3個含水層，巨厚松散覆巖含水層結構柱狀圖見圖1。

第三隔水層直接上覆煤層之上，一般只有5m厚，為泥巖、砂質泥巖互層。第三含水層普遍厚度為61m，砂質礫巖、粉砂巖、細砂巖互層，以砂質礫巖為主，砂質礫巖松散，分選性差，凝灰質膠結或泥質膠結；砂巖為塊狀，較致密，但厚度不大；該含水層為開采煤層的直接充水含水層，富水性強，單位涌水量為0.562～2.296l／s·m，滲透系數0.188～2.972m／d。

圖1 巨厚松散覆巖含水層結構柱狀圖

第二隔水層厚為16 m，泥巖、砂質泥巖及薄煤層互層。第二含水層普遍厚度為72 m，全為砂質礫巖，礫成分由酸性火山巖屑組成，凝灰質膠結、松散、分選差，礫石大小不一；該含水層為開采煤層的間接充水含水層，富水性強，單位涌水量為2.152l／s·m，滲透系數1.47～2.972m／d。

第一隔水層厚11 m，泥巖、砂質泥巖及薄煤層互層。第一含水層普遍厚度為46 m，砂質角礫巖為主，其他為砂質礫巖、凝灰質膠結或泥質膠結。該含水層富水性強， 單位涌水量為1.847l／s·m，滲透系數3.72m／d。

1.2 上覆巖層物理力學性質

對16-3上煤層放頂煤開采而言，煤層頂煤及之上的100m 范圍覆巖的巖石結構和巖石物理力學性質是研究頂煤及覆巖破壞規(guī)律和突水潰沙的關鍵參數。鉆孔巖芯統(tǒng)計表明上覆100 m 范圍內砂巖及砂礫巖平均占75%，泥巖占25%，也就是覆巖的組成是含水砂礫巖、砂巖。對頂板巖層進行物理力學試驗，試驗結果見表1，覆巖的單向抗壓強度只有粗砂巖超過10 MPa，其他巖性巖石均低于10 MPa，覆巖的巖石強度低、巖性軟，屬軟弱巖層。

表1 上覆巖層物理力學試驗結果

2 覆巖破壞高度與防治突水潰沙技術路線

2.1 覆巖破壞高度研究

采用綜采放頂煤工藝將煤厚15m 的煤層一次采出，覆巖破壞高度及覆巖破壞規(guī)律與分層開采不同。在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中，沒有給出綜放覆巖破壞高度計算公式。近年國內多個礦區(qū)放頂煤導水裂隙帶高度實測結果，見表2。

表2 部分礦區(qū)覆巖導水裂隙帶實測高度與二次方程預測高度對比

運用回歸方法發(fā)現綜放軟弱覆巖導水裂隙帶高度計算公式：

式中：y——導水裂隙帶高度，m；

x——放頂煤厚度，m。

綜采放頂煤采厚與覆巖導水裂隙帶高度回歸曲線如圖2所示。利用式 （1）計算的結果與實測結果基本一致，見表2。但當放頂煤厚度大于17.4m，裂隙帶高度開始下降與實際不符，即17.4m 是拐點，根據這一新發(fā)現，敏東一礦16-3上煤厚15.5m，取x=15m，預測裂隙帶高度y=135.47 m，而采用類比法按裂高比8.3～11.7計算，裂隙帶高度為124.5～175.5 m，所以開采受第三含水層直接威脅，按傳統(tǒng)的的安全煤柱留設的思路，即無法實現放頂煤安全開采，因此必須研究防治突水潰沙技術路線，攻克巨厚、松散砂礫巖含水層下放頂煤的關鍵技術，實現安全高效開采。

2.2 防治突水潰沙技術路線

傳統(tǒng)水下開采的安全煤柱留設理論不能解決巨厚松散砂礫含水層放頂煤的安全問題。根據綜放開采過程中上覆巖層活動規(guī)律和突水潰沙機理，把“提前疏放靜儲量水，保證開采過程中只有動態(tài)穩(wěn)定水，把防突水潰沙變成防潰泥潰石，研究防潰泥潰石的圍巖控制技術”作為攻克巨厚、松散、強含水層無保護煤柱開采的關鍵技術重點。

圖2 綜采放頂煤采厚與覆巖導水裂隙帶高度回歸曲線

3 頂板突水機理與超前疏放水

3.1 頂板的儲水結構與突水機理

直接威脅煤層的是第三含水層水，該含水層儲水結構是兩部分：一部分是靜儲量水，另一部分是地下水的補給徑流排泄循環(huán)系統(tǒng)的動儲量水。在實施放頂煤開采的初次放頂期間，隨著工作面推進，采空區(qū)的頂煤及頂板形成懸臂梁，在重力作用下，頂煤破斷，冒落帶及裂隙帶導通含水層，大量孔隙水迅速沖向工作面，形成突水，水量在1000m3／h以上，工作面排水系統(tǒng)不完善，必然造成淹工作面和群死群傷的安全災害。

3.2 超前疏放水工程

敏東一礦首采綜放工作面布置在地下水主要徑流帶。因水文地質條件不清，沒有采取防治水措施，工作面平均推進18m 時，涌水量從60 m3／h增大到140 m3／h，工作面停止生產，實施探放水工程，在工作面下運輸巷及放水巷施工防水孔，孔深50～80m，使第三含水層的孔隙水得到有效疏放，這期間放水量超過500 m3／h，工作面保安推進時涌水量達到256m3／h，總涌水量近800m3／h，于2012年4月12日停產疏放水。

巨厚砂礫含水層的儲水結構決定放頂煤工作面開采前實施疏水工作，解決靜儲量水是安全開采的第一技術措施，完善的排水系統(tǒng)則是安全開采保障技術措施。近一年的疏水后，經研判含水層的主要水源為動儲量水，此時疏水量穩(wěn)定在650 m3／h，工作面采空區(qū)涌水量穩(wěn)定250m3／h左右，礦井及工作面形成了永久排水系統(tǒng)，排水能力為正常涌水量5倍以上。因鉆孔的大量疏水，分散了采空區(qū)集中突水，初次放頂不會造成采空區(qū)頂板大量突水，因此水害可控。2013年3月19日，放頂煤工作面恢復了生產，之后的生產過程中，鉆孔疏水量減少穩(wěn)定在280m3／h，采空區(qū)涌水量穩(wěn)定在520m3／h，整個工作面涌水量穩(wěn)定在900m3／h左右，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

4 突泥潰石的機理與圍巖控制

4.1 突泥潰石機理研究

超前疏放水后綜放工作面的頂板水處于動態(tài)平衡狀態(tài)，靜儲量水被疏放，動儲量水在采空區(qū)形成大漏斗從采空區(qū)流出。此時厚度為61m 第三含水層已不再富水。在放頂煤開采過程中，隨著工作面推進，頂煤率先破斷被放出。當工作面放煤不均、液壓支架無工作阻力、頂板形成懸臂梁，在重力作用下，大量砂質礫巖松散泥質體迅速沖向支架，支架立柱不受壓，反而受拉折斷，這時突泥潰石事故發(fā)生，大量泥石充滿了綜放工作面，從而形成了突泥潰石事故。

4.2 圍巖控制技術

突泥潰石事故發(fā)生有3個因素：第一有巨厚松散砂礫泥石層存在；第二松散砂礫泥石層是采煤工作面的冒落帶；第三圍巖控制不當，不能實現煤泥分流，工作面先漏冒推垮支架。這3個因素中，前兩個因素是不可改變的，因此研究綜放工作面上覆巨厚松散砂礫泥石層的圍巖控制技術，核心是綜采支架工作阻力管理。

首采工作面中部使用的是ZF9000／17／32型四柱式放頂煤液壓支架，共安裝124 架，工作面排頭、排尾安裝ZFG10000-19／32H 型過渡支架7架，前端頭使用ZTF20000-19／32 型端頭支架，后端頭采用液壓單體支柱配合π鋼架棚架設傾向棚支護頂板?；夭沙跗诒谜緣毫?1.5 MPa，安全閥開啟壓力值設置為36.56MPa，由于設置值低開啟頻發(fā)，使支架初撐力和工作阻力低，平均值只有18MPa，2013年6月14日，發(fā)生了一起突泥潰石事故。

事故后，調整了礦壓記錄儀器，對支架壓力實施在線數據監(jiān)測，結合工作面礦壓顯現特征，并參照相關礦壓理論，將安全閥開啟壓力值調整為41 MPa。由于加強了工作面支架的管理，提高了初撐力的合格率，使支架始終處于良好的工作狀態(tài)，經過調整后至回采工作結束后未發(fā)生壓死架現象，支架工作阻力杜絕小于25 MPa，實現安全高效開采。

5 結論

（1）運用回歸方法發(fā)現綜放軟弱覆巖裂隙帶高度計算公式：y=-0.6507x2+21.102x-34.647，當采厚為2.5～17.4m，導水裂隙帶高度與實測結果基本一致，采放厚度為17.4m 是一拐點，采厚大于17.4m 或小于2.5m 時，裂隙帶高度的計算結果與實際不符，所以實際采厚要處于2.5～17.4 m 之間。這一重大發(fā)現揭示了綜采放頂煤覆巖導水裂隙帶高度的基本規(guī)律。研究綜采放頂煤上覆巖層流體活動規(guī)律，對控制頂板水、火及瓦斯災害具有十分重要意義。

（2）安全煤柱留設理論不能解決巨厚、松散、強含水層下放頂煤的安全問題，因此 “提前疏放靜儲量水，把防突水潰沙變成防潰泥潰石，研究防潰泥潰石的圍巖控制技術”，是解決巨厚、松散、強含水層無保護煤柱開采的新途徑。

（3）超前疏放靜儲量水，保證開采過程中只有動態(tài)穩(wěn)定水，把防突水潰沙變成防潰泥潰石，實現開采過程中無突水危險。

（4）根據綜放開采過程中上覆巖層活動規(guī)律和潰泥潰石機理，使泥砂與頂煤分流是防治潰泥潰石的前提。

（5）研究綜放工作面上覆巨厚松散砂礫泥石層的圍巖控制技術是關鍵，核心是綜采支架工作阻力管理。

（6）工程實踐解決了巨厚、松散、強含水層無保護煤柱開采的關鍵技術難題。

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［3］ 王家臣，李志剛.極軟煤層綜放面圍巖穩(wěn)定性離散元模擬 ［J］.礦山壓力與頂板管理，2005 （2）

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