富水頂板大采高綜采工作面涌水與礦壓關(guān)系研究

龐立寧，毛德兵，李春睿

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 北京開采研究院，北京 100013 )

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富水頂板大采高綜采工作面涌水與礦壓關(guān)系研究

龐立寧1,2，毛德兵1,2，李春睿1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 北京開采研究院，北京 100013 )

[摘要]針對納林河二號煤礦31101富水頂板大采高綜采工作面涌水情況，分析了工作面涌水與工作面礦壓以及頂板巖層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。通過理論計算得出了關(guān)鍵層層位，認為基本頂及其控制的上覆巖層和關(guān)鍵層Ⅱ及其控制的上覆巖層共同組成了“復合懸臂梁—復合鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)。計算得出關(guān)鍵層Ⅱ的初次斷裂步距為210.3m，周期性斷裂步距為101.1m，與現(xiàn)場實際礦壓與涌水情況相符。認為“復合懸臂梁”的周期性破斷失穩(wěn)使得工作面產(chǎn)生“小”出水，而后發(fā)生小周期來壓；“復合鉸接巖梁”的周期性破斷失穩(wěn)使得工作面產(chǎn)生“大”出水，而后發(fā)生大周期來壓。研究結(jié)果為31101工作面的出水預(yù)測提供了理論依據(jù)，并為相似工作面涌水與礦壓關(guān)系研究提供參考。

[關(guān)鍵詞]關(guān)鍵層；復合懸臂梁；復合鉸接巖梁；垮落步距；破斷失穩(wěn)

[引用格式]龐立寧，毛德兵，李春睿.富水頂板大采高綜采工作面涌水與礦壓關(guān)系研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：90-93,100.

近年來，隨著煤炭產(chǎn)量的大幅度提高，開采中的災(zāi)害事故也頻頻發(fā)生，工作面頂板涌水事故就是其中之一[1]。對于富水頂板工作面，伴隨著工作面煤體的采出，采場周圍巖層出現(xiàn)變形、移動和破斷，若在頂板巖層中形成導水通道導通含水層，則可能會發(fā)生工作面涌水事故。巖層采動破斷裂隙是工作面出水的通道[2]，采動裂隙的演化規(guī)律是判斷工作面出水條件、進行工作面出水預(yù)測和制定工作面水害防治對策的重要理論基礎(chǔ)。許多學者對我國煤礦開采覆巖破壞和導水裂隙帶高度進行了大量理論與實測研究，得到了計算導水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式[2-6]，如許家林教授在此基礎(chǔ)上對導水裂隙帶的高度計算進行了修正，提出了覆巖主關(guān)鍵層位置與導水裂隙帶高度之間的關(guān)系[7]，這些研究都在一定程度上指導了工作面出水的預(yù)測。但是至今很少有學者對工作面涌水與工作面礦壓及頂板巖層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行研究。本文以納林河二號煤礦31101工作面為現(xiàn)場基礎(chǔ)，對工作面出水與工作面礦壓、頂板巖層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行了分析。

1工作面概況

納林河二號煤礦31101工作面位于礦井一盤區(qū)東翼邊界附近，北臨中央一號輔助運輸大巷，南臨首采區(qū)邊界，兩邊都為實體煤，為首采工作面。工作面平均埋深554.67m，開采煤層為3-1煤，煤層厚度為4.7～6.3m，平均5.5m。工作面推進長度2588m， 傾向長度241.25m，采用大采高一次采全厚綜采采煤方法。偽頂主要為泥巖，厚度0～0.4m；直接頂主要為粉砂巖，厚度為2.0～5.7m；基本頂主要為細粒砂巖，厚度為7.6～19m。31101工作面回采期間對生產(chǎn)產(chǎn)生威脅的主要含水層是3-1煤頂板砂巖裂隙含水層及3-2煤組頂板延安組、直羅組砂巖含水層，均屬于碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層組。含水層巖性以灰、灰白色中、粗粒砂巖為主，局部地段裂隙發(fā)育。

2工作面涌水情況

通過對31101工作面涌水量的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)工作面涌水量經(jīng)歷了以下變化過程(圖1)：45~50m段，工作面涌水量從30m3/h躍升至46.7m3/h；70~80m段，工作面涌水量從40m3/h躍升至53m3/h；110~130m段，工作面涌水量從53m3/h躍升至73m3/h；140~150m段，工作面涌水量從73m3/h躍升至85m3/h；210~225m段，采空區(qū)涌水量從85m3/h躍升至153m3/h；235~240m段，工作面涌水量從153m3/h躍升至182m3/h；270~290m段，工作面涌水量從148m3/h躍升至160m3/h。

圖1　31101工作面涌水量變化曲線

331101工作面礦壓情況

采用KJ21礦壓記錄儀對工作面支架壓力進行觀測，觀測時間為2014年9月2日至2015年3月24日。通過對支架壓力數(shù)據(jù)的分析，得到工作面礦壓變化曲線，如圖2所示。

圖2　31101工作面礦壓變化曲線

從圖2可以看出，工作面從開始生產(chǎn)到推進至330m共發(fā)生11次周期來壓。工作面推進至60m時，發(fā)生初次來壓；推進至89m，117m，138m，162m，187m，202m，232m，260m，290m，313m時發(fā)生周期來壓，平均來壓步距為25m。其中工作面推進至232m時發(fā)生大周期來壓，但是由于關(guān)鍵層Ⅱ距離工作面較遠，大周期來壓顯現(xiàn)并不突出。

431101工作面覆巖破斷形態(tài)分析

4.1關(guān)鍵層位置判斷

由關(guān)鍵層強度與剛度判別準則[11-12]以及頂板巖層的巖性與厚度，得出了關(guān)鍵層層位。關(guān)鍵層判別結(jié)果如表1所示。距煤層200m內(nèi)頂板巖層有3個關(guān)鍵層，即關(guān)鍵層Ⅰ(基本頂)、關(guān)鍵層Ⅱ、關(guān)鍵層Ⅲ，分別距離煤層3.9m，48.6m，174.7m。

4.2覆巖破斷形態(tài)分析

隨著采空區(qū)走向長度的延伸，工作面頂板覆巖的斷裂呈一定角度不斷向上擴展，在走向和傾斜方向上都近似呈現(xiàn)等腰梯形發(fā)育[11-12]，如圖3所示。由于高位厚硬巖層與煤層間距較大，受到巖層斷裂角的影響，其懸露寬度并不等于工作面長度，兩者的關(guān)系為[8]：

b=(l-2Σh)/tanα

(1)

式中，b為巖層懸露寬度,m;l為工作面長度，取241m；Σh為巖層距煤層垂直距離，m；α為巖層破斷角，取 45°。

關(guān)鍵層Ⅱ距煤層的距離為48.6m，為高位厚巖層，由式(1)可得關(guān)鍵層Ⅱ的懸露寬度為b=143.8m。

圖3　關(guān)鍵層沿工作面傾向懸頂示意

由于高位厚巖層破斷步距較大，其極限跨距受到邊界條件和懸露寬度的影響，由反映其自身穩(wěn)定性的步距準數(shù)lm和反映邊界條件與懸露寬度影響系數(shù)k決定，盡管高位關(guān)鍵層初次破斷和周期破斷所處邊界條件不同，但均滿足通式[8]：

ai=lmki

(2)

式中，i為不同的邊界條件；ai為不同邊界條件巖層破斷步距，m；lm為步距準數(shù)，m；ki為邊界條件與懸露寬度影響系數(shù)。

表1　31101工作面上覆巖層及關(guān)鍵層判別結(jié)果

注：關(guān)鍵層并未標明主亞，因為距工作面200m以上巖層與本文關(guān)系不大，沒有進行關(guān)鍵層計算。

其中，步距準數(shù)為不考慮邊界條件和懸露寬度影響條件下的極限跨距，表達式為[8]：

(3)

式中，h為巖層厚度，取25m；μ為巖層泊松比，取0.24；σs為巖層抗拉強度，取1.81MPa；q為巖層自重及上覆載荷，MPa。

考慮到承壓水的影響，關(guān)鍵層Ⅱ的載荷為q=1MPa，將其代入式(3)得到關(guān)鍵層Ⅱ的步距準數(shù)為lm=63m。由于b>lm，根據(jù)板的破斷理論可知關(guān)鍵層Ⅱ在達到其極限跨距時能夠破斷。因此導水裂縫帶發(fā)育高度受到關(guān)鍵層Ⅱ的控制，最高可以發(fā)育到關(guān)鍵層Ⅲ的下方。由于關(guān)鍵層Ⅲ距離煤層的高度為174.7m，導水裂縫帶的最大發(fā)育高度為174.7m，而直羅組承壓含水層底部距離煤層73.8m，因此，工作面存在較大的出水，而現(xiàn)場的實際情況也驗證了這一點，在工作面推進至210m左右時，工作面涌水量提高了70m3/h。

當關(guān)鍵層Ⅱ初次破斷時，其邊界條件為三固一支，對應(yīng)的邊界和寬度影響系數(shù)為[8]：

(4)

當關(guān)鍵層Ⅱ周期破斷時，其邊界條件為兩固兩支，對應(yīng)的邊界和寬度影響系數(shù)為[8]：

(5)

式中，λ為懸露巖層長寬比；ac為懸露巖層初次破斷步距，m；az為懸露巖層周期破斷步距，m；b為巖層懸露寬度，m。

已知b=143.8m，lm=63m，分別聯(lián)立公式(3)，(4)和(3)，(5)得到關(guān)鍵層Ⅱ的初次斷裂步距ac=210.3m，周期破斷步距az=101.1m。

經(jīng)現(xiàn)場觀測，基本頂?shù)某醮慰鍞嗖骄酁?0m，周期性垮斷步距為25m。經(jīng)計算，關(guān)鍵層Ⅱ的初次垮落步距為210.3m，周期性垮斷步距為101.1m，與現(xiàn)場實際礦壓與涌水情況相符。厚煤層綜采工作面生產(chǎn)過程中，頂板巖層形成“懸臂梁—鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)[13-16]，如圖4所示?；卷斂迓洳骄噍^小，與其控制的上位巖層共同組成“復合懸臂梁”結(jié)構(gòu)。隨著工作面的推進，“復合懸臂梁”垮度增大，彎矩與撓度增加，進而導致裂隙開始發(fā)育，導通基本頂上方的中粒砂巖含水層，工作面涌水量增加；當“復合懸臂梁”垮度增大到其極限跨距就會發(fā)生失穩(wěn)，“復合懸臂梁”結(jié)構(gòu)的周期性垮斷失穩(wěn)使得工作面產(chǎn)生小周期來壓。關(guān)鍵層Ⅱ垮落步距較大，垮落之后與其控制的上位巖層共同組成“復合鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)。隨著工作面向前推進，“復合鉸接巖梁”垮度增大，裂隙發(fā)育，導通其上方含水層，工作面涌水量增加，當“復合懸臂梁”垮度增大到其極限跨距就會發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉斷裂，“復合鉸接巖梁”的周期性下沉回轉(zhuǎn)斷裂迫使“復合懸臂梁”結(jié)構(gòu)也回轉(zhuǎn)下沉，使得工作面產(chǎn)生大周期來壓[17-18]。

圖4　厚煤層綜采采場頂板結(jié)構(gòu)示意

5工作面涌水與礦壓、頂板結(jié)構(gòu)之間關(guān)系

工作面涌水量與支架壓力的變化曲線如圖5所示。

圖5　31101工作面涌水量與支架壓力關(guān)系曲線

從圖5可以看出，工作面推進至45~50m時，工作面涌水量開始增加，而后支架壓力開始增大，當工作面推進至60m時，基本頂達到其極限跨距發(fā)生破斷，發(fā)生初次來壓。工作面推進至70~80m時，工作面涌水量開始增加而后支架壓力開始增大；工作面推進至89m時，基本頂及其所控制的上部巖層所組成的“復合懸臂梁”結(jié)構(gòu)達到其極限跨距而發(fā)生破斷，發(fā)生周期來壓。工作面推進至110~130m時，工作面涌水量開始增加，在此期間，基本頂及其所控制的上部巖層所組成的“復合懸臂梁”結(jié)構(gòu)達到其極限跨距而發(fā)生破斷，發(fā)生周期來壓。工作面在150~210m之間發(fā)生了3次周期來壓，但工作面涌水量并沒有顯著的增加趨勢，這是因為工作面在此期間處于仰采階段，進入采空區(qū)的頂板水并未全部流入工作面，導致工作面涌水量的增加并不明顯。工作面推進至210~225m時，工作面涌水量顯著增加，這是由于導水裂隙導通直羅組砂巖含水層所致，而后關(guān)鍵層Ⅱ及其所控制的上覆巖層所組成的“復合鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)達到其極限跨距發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉破斷，工作面發(fā)生大周期來壓；由于帶水的砂石對斷裂裂隙的充填作用以及巖層破斷裂隙的受壓閉合，工作面的涌水量有減少趨勢。當工作面推進至275m左右時，基本頂及其控制的上覆巖層所構(gòu)成的“復合懸臂梁”裂隙再次發(fā)育，工作面涌水量增大，而后“復合懸臂梁”達到其極限斷裂步距，工作面發(fā)生小周期來壓。

綜上，隨著工作面的推進，基本頂及其控制的上覆巖層裂隙逐漸發(fā)育，導通基本頂上方含水層，工作面涌水量增加，等達到基本頂垮落步距，發(fā)生小周期來壓；關(guān)鍵層Ⅱ及其控制的上覆巖層裂隙逐漸發(fā)育，導通直羅組含水層，工作面涌水量增加，達到極限跨距，發(fā)生大周期來壓。即在“復合懸臂梁-復合鉸接巖梁”頂板結(jié)構(gòu)下，工作面的周期性來壓伴隨著工作面的周期性涌水。

6結(jié)論

(1)基本頂?shù)某醮慰鍞嗖骄酁?0m，周期性垮斷步距為25m；計算得出關(guān)鍵層Ⅱ的初次垮落步距為210.3m，周期性垮斷步距為101.1m，與現(xiàn)場實際礦壓與涌水情況相符。

(2)基本頂垮落步距較小，與其控制的上位巖層共同組成“復合懸臂梁”結(jié)構(gòu)，“復合懸臂梁”的周期性破斷失穩(wěn)使得工作面發(fā)生“小”出水，發(fā)生小周期來壓；關(guān)鍵層Ⅱ垮落步距較大，與其控制的上位巖層共同組成“復合鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，“復合鉸接巖梁”的周期性破斷失穩(wěn)使得工作面發(fā)生“大”出水，發(fā)生大周期來壓。工作面的周期性來壓伴隨著工作面的周期性涌水。

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[責任編輯：潘俊鋒]

·礦山壓力與災(zāi)害控制·

Study on the Relationship between Water Inflow and Mine Pressure in

Fully-mechanized Mining Working Face with Rich Water Roof

PANG Li-ning1,2，MAO De-bing1,2，LI Chun-rui1,2

(1.Coal Mining and Designing Department,Tiandi Science and Technology Co. ，Ltd. ,Beijing 100013，China;

2.Coal Mining & Designing Department,Beijing Mining Research Institute ,Beijing 100013 ,China)

Abstract：This paper aims at the problems of water inflow in the 31101 fully-mechanized mining working face of very thick coal seam with rich water roof in Nalinhe Ⅱ Coal Mine,the relationship among the water inflow,mine pressure and roof strata structure is analyzed .By theoretical calculations,the key strata are distinguished，structure of “composite cantilever-composite articulated rock beam”composed by main roof with the strata controlled and the No.2 sub-key stratum with the strata controlled.The initial caving step distance is calculated 210.3m,cyclical caving step distance is 101.1m，and it consistents with the actual situation.Pointing out that cyclical rupture instability of composite cantilever rock beam causing small water with weak cycle pressure and that cyclical rupture instability of composite articulated rock beam causing heavy water with powerful cycle pressure;Providing the theoretical basis of water forecasting in 31101 working face,the study of the relationship between water and rock pressure of mining face is similar to provide the reference.

Key words：key stratum;composite cantilever rock beam;composite articulated rock beam;caving step distance;rupture instability

[作者簡介]龐立寧(1990-)，男，河北臨城人，碩士研究生，現(xiàn)從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

[基金項目]國家自然科學面上基金資助項目(51474128)；國家自然科學青年基金資助項目(51304115)；國家十二五科技支撐計劃(2012BAB13B02)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.024

[收稿日期]2015-05-11

[中圖分類號]TD324

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0090-04