綜采放頂煤工作面高位巷頂板涌水誘因淺析及防治對策

王之永 袁中幫

（皖北煤電集團恒源煤電公司崔木煤礦，安徽省宿州市，234000）

綜采放頂煤工作面高位巷頂板涌水誘因淺析及防治對策

王之永 袁中幫

（皖北煤電集團恒源煤電公司崔木煤礦，安徽省宿州市，234000）

通過對崔木煤礦21305工作面回采期間的生產(chǎn)連續(xù)性、礦壓規(guī)律顯現(xiàn)、瓦斯抽放量、采放高度及探煤數(shù)據(jù)、水文長觀孔水位變化等資料的全面系統(tǒng)分析，查明了此次綜放工作面高位巷發(fā)生涌水的誘因、機理，并提出了預(yù)警體系的完善方法及離層水的防治對策，為相似條件工作面的安全回采指明了方向。

綜采放頂煤 離層涌水 誘因淺析 預(yù)警體系 防治對策

1　礦井概況

崔木煤礦位于黃隴侏羅紀(jì)煤田北灣—太陽寺井田永隴礦區(qū)東端，為獨立含煤區(qū)域，設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/a。礦井揭露地層依次為第四系、上第三系、白堊系洛河組、白堊系宜君組（局部未沉積）、侏羅系安定組、侏羅系直羅組、侏羅系延安組、侏羅系富縣組。其中，含煤地層為延安組，共含煤5層，其中1、2-1、2-2煤層均不可采；2-3煤層為不穩(wěn)定煤層，厚0.40～12.31 m，平均3.47 m，為局部可采煤層；3煤層為較穩(wěn)定煤層，厚0.35～34.20 m，平均煤厚16.89 m，為主采煤層。

2　3煤層水文地質(zhì)特征及礦井涌水情況

2.1充水含水層

3煤層直接充水含水層多以掘進、回采期間的頂板淋水為主，水量約3～8 m3/h，對生產(chǎn)基本不構(gòu)成影響；間接充水含水層在掘進期間不構(gòu)成影響，在回采期間以離層水涌水的形式進入工作面，一旦發(fā)生涌水將影響工作面正常安全生產(chǎn)。

2.2礦井涌水情況

礦井正常涌水量約120 m3/h，主要為直接頂板淋水及井筒淋水。但工作面回采期間曾發(fā)生涌水事故，最大瞬時涌水量達600 m3/h，且在已回采的3個綜放工作面回采期間，曾多次發(fā)生涌水情況，每次涌水都具有瞬時水量大、涌水時間短、疏水快、來勢猛，裹夾大量上覆巖層中的泥、砂，以靜儲量為主等特點，通過分析認(rèn)為是離層空間涌水，對照 《煤礦防治水規(guī)定》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。

3　高位巷頂板涌水誘因淺析

3.1工作面及高位巷概況

21305工作面是21盤區(qū)3煤層第5個工作面，設(shè)計回采長度1250 m，工作面機巷和風(fēng)巷預(yù)留0～10 m頂板煤柱，采用走向長壁式綜采放頂煤工藝。因礦井為高瓦斯礦井，為抽放工作面回采期間的瓦斯，在工作面內(nèi)布置一條沿著煤層頂板布置的高位抽放巷（即高位巷），高位巷距離風(fēng)巷近面?zhèn)裙ぷ髅鎯?nèi)9 m。21305工作面及高位巷平面布置見圖1。

圖1　21305工作面及高位巷平面布置示意

3.2已采取的防治水措施

為確保21305工作面回采期間不發(fā)生離層水涌水事故，崔木煤礦制定并實施了一系列防治措施。

（1）合理確定采放高度，采放高度控制在13 m以內(nèi)，使工作面連續(xù)、均一、穩(wěn)步推進，降低頂板離層空間發(fā)育速率；

（2）加大工作面排水能力建設(shè)，優(yōu)化排水系統(tǒng)，施工泄水巷，緩解排水壓力；

（3）優(yōu)化工作面設(shè)計，跳采布置，避免相鄰工作面疊加擾動，減少頂板斷裂頻次，減小頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)模；

（4）地面施工直通式導(dǎo)流孔（X305-1、G6），使一孔多用，及時疏放頂板離層積水，降低離層涌水概率；

（5）在機巷、高位巷施工頂板預(yù)裂孔，破壞頂部覆巖結(jié)構(gòu)，緩解工作面頂板來壓，增大泄水通道，減少一次集中涌水的水量。

通過以上防治措施的實施，工作面已實現(xiàn)累計安全回采1085 m未發(fā)生水量大于70 m3/h的離層涌水事故。

3.3高位巷出水情況及涌水量估算

截止2015年3月6日早班，21305工作面已累計安全推進1085 m，推過21305泄水巷18 m（如圖1中泄水巷的位置，該巷道主要用于排泄工作面內(nèi)積水，與風(fēng)巷之間留設(shè)煤柱25 m，長度282 m），距離停采線位置165 m，工作面、風(fēng)巷及高位巷整體為仰采。

3月6日早班8時20分21305高位巷發(fā)生涌水，初始瞬時涌水量無法觀測，上午10時經(jīng)現(xiàn)場觀測高位巷內(nèi)涌水量約有300 m3/h，截止下午15時涌水水量衰減至約50 m3/h，截止下午22時涌水量衰減至約5 m3/h，22時30分基本不出水。根據(jù)礦井實際排水統(tǒng)計，本次累計涌水量約3200 m3，平均涌水量230 m3/h。

3.4涌水三要素（水源、通道、誘因）分析

3.4.1水質(zhì)分析及水源判別

經(jīng)采樣化驗，并類比勘探成果等資料（主要參考礦化度、離子成分占比情況），判定高位巷出水水源主要為洛河組砂巖孔隙、裂隙水，次含有直羅組砂巖裂隙水和少量延安組砂巖裂隙水參與，為典型的離層空間水體。

3.4.2出水位置及通道判斷

待高位巷停止涌水后，人員進入約80 m未發(fā)現(xiàn)出水點；而3月5日瓦斯抽放量的銳減，且3月7日恢復(fù)生產(chǎn)后工作面高位巷對應(yīng)位置泄出大量積水及泥沙，表明高位巷受3月2日來壓影響，頂板離層空間積水裹夾大量泥沙瞬間潰入高位巷，使高位巷內(nèi)局部區(qū)段產(chǎn)生了封堵。綜上所述，21305高位巷出水點位置位于GC5至回采位置區(qū)段內(nèi)，出水通道為上覆頂板離層空間裂隙帶，見圖1。

3.4.3出水預(yù)兆及誘因分析

（1）近期生產(chǎn)情況。2014年12月1日-31日工作面累計回采165 m，回采速率為5.32 m/d；2015年1月1日-31日累計回采179 m，回采速率為5.78 m/d；2月1日14日累計回采85.7 m，回采速率6.12 m/d；2月14日-23日，春節(jié)停采；2月24日-3月6日，累計回采約56.1 m，回采速率為5.1 m/d，其中，3月2日-6日累計回采約20.37 m，回采速率為4.07 m/d。從日均回采速率可以看出，春節(jié)恢復(fù)生產(chǎn)后日推進速率較12月份、元月份回采速率低，其中，3月2日-6日日回采速率有較為明顯的降低，分析原因主要受限于地面煤倉滿眼、供水不正常、機械設(shè)備不完好等因素影響。

（2）近期工作面壓力情況。利用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)對2月23日恢復(fù)生產(chǎn)以來安全閥開啟數(shù)量進行分析，見圖2。在2月24日（距離切眼1031 m）、3月2日（距離切眼1067 m）安全閥均有明顯開啟現(xiàn)象，期間工作面經(jīng)歷了2次來壓，推進距離為35.72 m，特別是3月2日工作面安全閥開啟次數(shù)達到23次，來壓現(xiàn)象劇烈、明顯。

圖2　2月23日-3月6日工作面支架安全閥開啟數(shù)量統(tǒng)計

據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況反映，3月2日夜班2時工作面生產(chǎn)期間綜采放頂煤液壓支架57#～73#頂板處有明顯頂板斷裂響聲，據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，3月2日12時-3月3日12時，工作面采集有效震源數(shù)據(jù)42次，較3月1日（3次）、3月3日（6次）有大幅度增加，與礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)現(xiàn)場均吻合。

此外，利用礦壓監(jiān)測系統(tǒng)對1月25日-2月14日回采范圍內(nèi)安全閥開啟數(shù)量進行統(tǒng)計，見圖3。在2月5日（距離切眼952 m）安全閥開啟數(shù)量達53次，2月12日（距離切眼1000 m）安全閥開啟數(shù)量達39次；通過安全閥開啟數(shù)量可以看出，工作面有兩次安全閥大量開啟的來壓跡象；據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，1月25日-2月14日，工作面采集有效震源數(shù)據(jù)最多為19次，但僅在2月5日采集到3次能量超過105J和2月12日采集到13次有效數(shù)據(jù)，2次能量超過105J，與礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合。

分析原因是綜放工作面超前支承壓力的峰值一般在工作面前方10～20 m的范圍內(nèi)，周期來壓期間的超前支承壓力較非來壓期間強度更大，對頂板和頂煤的破壞更嚴(yán)重；1月25日-3月6日，工作面累計發(fā)生壓力顯現(xiàn)4次；3月5日-6日回采區(qū)段工作面頂煤受近3 d（3月2日-3月5日）以來的強烈超前支承壓力影響已經(jīng)變得松散破碎，頂煤上方頂板的裂隙也更加發(fā)育，裂隙帶從廣度和高度上均有進一步擴展。

圖3　1月25日-2月24日工作面支架安全閥開啟數(shù)量統(tǒng)計

（3）近期瓦斯抽放情況。2月24日-3月7日工作面瓦斯抽放量見圖4。從圖4中可以看出，工作面近期瓦斯抽放量均在10830.7 m3以上，3月5日抽放量銳減至9883.3 m3，3月6日、3月7日抽放量持續(xù)下降。分析其原因是3月5日高位巷局部變形地段被上覆巖層涌水裹夾的泥沙擁堵，隨著持續(xù)性的涌水，高位巷3月7日已無法正常抽排瓦斯。

圖4　2月24日-3月7日工作面瓦斯抽放量統(tǒng)計

（4）近期采放高度及探煤情況。2月1日-3月6日統(tǒng)計工作面采放高度為5.9～11.8 m，平均采放高度約9.3 m；工作面在以上回采區(qū)段內(nèi)機巷附近總體煤層沉積厚度減小，工作面50#支架至機頭煤層厚度0.6～8.8 m，見表1。從表1中可以看出，為達到工作面平均采放高度，生產(chǎn)過程中增大了50#支架至機尾段的放頂煤高度；因局部區(qū)段的過度放煤，使導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育的高度同步增大，觸及離層空間積水，形成導(dǎo)水通道。

（5）水文觀測孔水位變化情況。截至3月6日，鄰近21305工作面周邊洛河組水文長觀孔有G4孔（距工作面回采位置970 m）、G5孔（距工作面回采位置600 m）和X305-1泄水孔（距工作面回采位置930 m）在高位巷未發(fā)生涌水前，周邊水文孔水位變化情況如下:

G4水文孔:2月26日之前，水位總體處于平穩(wěn)狀態(tài)，略有上升（2月1日-26日，上升2.09 m，平均上升速度0.08 m/d），自2月26日12∶00之后水位開始緩慢下降，截至3月7日12∶00，水位累計下降1.91 m，平均下降速度0.1～0.3 m/d。

G5水文孔:2月24日之前，整體呈緩慢上升趨勢，24日15∶36之后水位開始緩慢下降，截至3月7日12∶00，水位累計下降3.93 m，平均下降速度0.4～0.6 m/d。

X305-1泄水孔:自1月13日安裝遙測儀后，水位整體呈緩慢下降趨勢，截至3月7日12∶00，水位累計下降3.31 m，平均下降速度0.04～0.1 m/d。

根據(jù)以往工作面回采經(jīng)驗分析，以上觀測孔水位波動數(shù)據(jù)尚不構(gòu)成水害預(yù)警指標(biāo)，屬于正常頂板水下泄現(xiàn)象。

3.5出水原因

通過對近期工作面回采期間的生產(chǎn)連續(xù)性、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、瓦斯抽放量、采放高度、探煤數(shù)據(jù)及水文長觀孔水位變化等資料的全面系統(tǒng)分析，查明了此次綜放工作面高位巷發(fā)生離層涌水的誘因、機理。

表1　2月1日-3月7日工作面部分支架頂煤厚度探查及平均采放高度統(tǒng)計　m

（1）受供水不正常、機械設(shè)備不完好等因素制約，造成工作面回采速率不均、壓力分布不均、向采空區(qū)傳遞速度不規(guī)律，來壓頻次和強度增大。

（2）自2015年1月25日以來，工作面共計經(jīng)歷了4次明顯的安全閥開啟現(xiàn)象，壓力增大，頂板發(fā)生多次復(fù)合破斷，導(dǎo)致其完整性減弱、裂隙通道形成；為離層水體的涌出提供了有效的導(dǎo)水通道。

（3）為達到工作面平均采放高度，生產(chǎn)過程中增大了50#支架至機尾段的放頂煤高度；因局部區(qū)段的過度放煤，使導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育的高度同步增大，觸及離層空間積水，形成導(dǎo)水通道。

（4）因工作面G6泄水孔鉆孔孔徑小，無法實現(xiàn)周期性透孔，其泄水效果減弱，隨著工作面向前不斷推采，煤層頂板各含水層水一部分洛河組水導(dǎo)入采空區(qū)，一部分不斷補給到離層空間中形成離層水體，形成離層涌水的水源。

（5）洛河組水文長觀孔距離工作面回采距離較遠，其水位降幅變化無法滿足當(dāng)前預(yù)警需要。

4　防治對策

為有效防止綜采放頂煤工作面發(fā)生頂板離層涌水事故，在認(rèn)真落實前文提及的防治措施的基礎(chǔ)上仍需進一步完善防治體系。

（1）加強設(shè)備檢修和維護，減少生產(chǎn)影響；保證均衡生產(chǎn)，連續(xù)推進。

（2）利用礦壓、微震等監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握工作面壓力分布及傳遞規(guī)律，同時要加強初撐力管理，保證支架架型和支護質(zhì)量。

（3）加強工作面頂煤厚度探查，合理控制放煤高度，避免因局部區(qū)段過度放煤造成導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育過大，形成導(dǎo)水通道。

（4）依據(jù)工作面長度不同，合理布設(shè)、施工大孔徑泄水鉆孔，降低離層空間水體存儲機率和存儲量。

（5）構(gòu)建包含瓦斯抽放量、長觀孔水位、壓力顯現(xiàn)規(guī)律、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、回采速率等指標(biāo)在內(nèi)的預(yù)測預(yù)警體系，發(fā)現(xiàn)異常及時采取有效措施，降低涌水事故損失。

通過以上防治措施的有效實施，該工作面已安全收作，未再發(fā)生離層涌水事故，取得了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 劉前進，霍永金，婁金福.富水頂板綜放工作面出水規(guī)律與高位關(guān)鍵層破斷特征分析 ［J］.中國煤炭，2015（1）

［2］ 李正杰，王之永等.特厚煤層綜放開采出水壓架預(yù)警機制及防治體系［J］.中國煤炭，2015（8）

（責(zé)任編輯 張艷華）

Cause brief analysis and prevention and control countermeasures of water burst in the high-level roadway roof of fully mechanized top coal caving face

Wang Zhiyong，Yuan Zhongban
（Cuimu Coal Mine of Hengyuan Coal-Electricity Company，Wanbei Coal-Electricity Group Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China）

The production continuity，the laws of rock strata pressure manifestation，the gas drainage volume，the height of mining and caving，the coal explored data，the variation of water level in the long-term observation hydrological holes during the mining of fully mechanized top coal caving face were comprehensively and systematically analyzed，the cause and mechanism of water burst in the high-level roadway roof of fully mechanized top coal caving face were found out，and the improved method of early warning system and the prevention and control countermeasures of water burst through bed separated fissures were proposed，which provides direction for safety mining of similar condition working face.

fully mechanized top coal caving mining，water burst through bed separated fissures，cause brief analysis，early warning system，prevention and control countermeasures

TD745.2

A

王之永（1972-），男，安徽宿州人，工程師，1996年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，現(xiàn)任崔木煤礦副礦長，長期從事煤礦開采及技術(shù)管理工作。