高水壓松散含水層下超長工作面突水預(yù)測及控制

馬 雷

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽煤礦安全監(jiān)察局，安徽 合肥 230601)

高水壓松散含水層下超長工作面突水預(yù)測及控制

馬 雷

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽煤礦安全監(jiān)察局，安徽 合肥 230601)

祁東煤礦8222工作面為高承壓含水層下的超長工作面(最大為235m)，突水威脅大，針對8222工作面復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，為防止回采期間發(fā)生壓架突水事故，研究了松散層含水層富水性特征、基巖風(fēng)化的工程地質(zhì)特征、阻隔水性能及開采覆巖破壞規(guī)律等內(nèi)容，采用了頂板超前預(yù)裂爆破、長觀孔預(yù)警、增大工作面支架阻力、合理控制推進(jìn)速度等技術(shù)。研究結(jié)果表明，在采取上述綜合措施的情況下，高水壓松散含水層下超長采煤工作面可實(shí)現(xiàn)安全可控回采。

高水壓松散含水層；超長工作面；突水預(yù)測；控制技術(shù)

Prediction and Controlling of Overlength Working Face Water Inrush under High Water Pressure Loose Aquifer

松散層含水層下開采，是指在煤系地層被松散層覆蓋其底部的松散含水層直接(或間接)與煤系地層接觸條件下的開采。眾多學(xué)者對松散承壓含水層下采煤突水機(jī)理和防治進(jìn)行了研究[1-14]。劉天泉院士等提出了松散承壓含水層開采安全煤巖柱設(shè)計(jì)方法和突水防治原則[7，10]；許延春提出了水體下采煤留設(shè)安全煤巖柱的“有效隔水厚度方法”[11]；隋旺華等實(shí)驗(yàn)研究了松散層突水潰砂與水力坡度和裂縫寬度的關(guān)系[12]；侯忠杰、黃慶享等研究了淺埋煤層厚風(fēng)積沙薄基巖條件下覆巖整體破斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及對頂板潰沙潰水的影響[13-14]。

松散承壓含水層的荷載傳遞作用下易導(dǎo)致覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的整體破斷，引發(fā)工作面壓架突水事故。祁東煤礦8222工作面為高承壓含水層下超長工作面，距第四含水層最近距離為74m ，靜水壓高達(dá)3.8～4.6MPa。該工作面為近上限工作面，相似工作面發(fā)生多次壓架突水事故，該面可采儲量約1.5Mt，其下方為922工作面，可采儲量1.5Mt，為了盡可能回收煤炭資源，同時又能保證安全生產(chǎn)，根據(jù)多年頂板“四含”水防治經(jīng)驗(yàn)，采用了突水預(yù)測及控制技術(shù)，輔以高阻力支架等措施，實(shí)現(xiàn)了該面的安全回采，可為國內(nèi)類似條件下的安全回采提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

祁東煤礦位于宿縣礦區(qū)，是安徽恒源煤電有限責(zé)任公司下屬的大型地方國有煤礦，設(shè)計(jì)產(chǎn)量1.5Mt/a，2002 年5 月22 日正式投產(chǎn)。2004年核定生產(chǎn)能力為2.4Mt，開采二疊系上、下石盒子組煤層。礦區(qū)內(nèi)新生界松散層厚度受古地形控制，厚度為189.25～453.00m，自上而下可劃分為4個含水層(組)和3個隔水層(組)，其中一、二、三含水層與“四含”之間存在良好的隔水層而無水力聯(lián)系，第四含水層直接覆蓋在煤系地層之上，含水砂層厚度0～59.1m ，富水性中等，靜水壓高達(dá)3.7MPa。礦井自投產(chǎn)以來，共發(fā)生了17次壓架突水事故，其中最大突水量達(dá)到了1520m3/h，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)，同時也造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

祁東煤礦二采區(qū)8222工作面是該礦在高承壓含水層下采煤少有的大采寬工作面。該工作面位于井田西翼一水平二采區(qū)，見圖1，為近上限工作面，工作面沿走向布置，分為里、外2個塊段，里段寬235m，風(fēng)巷走向長470m，機(jī)巷走向長600m；外段面寬126～144m，風(fēng)巷走向長550m，機(jī)巷走向長486m；煤層平均厚度2.6m，平均傾角11°。四含厚度38～51m，平均45m，水壓3.8～4.6MPa；里段其風(fēng)巷基巖僅74m，機(jī)巷基巖厚度約為130m，外段其風(fēng)巷基巖約為102m，機(jī)巷基巖厚度約為130m。8222 工作面機(jī)頭向上約40m范圍上覆7121工作面采空區(qū)，7121工作面在回采過程中曾發(fā)生過2次嚴(yán)重的壓架突水事故。

圖1 8222工作面與其他工作面平面位置關(guān)系

2 基于覆巖關(guān)鍵層的工作面壓架突水危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測

2.1 關(guān)鍵層

覆巖巖性不同對“兩帶”高度發(fā)育影響所產(chǎn)生的結(jié)果也不同。正常情況下，工作面回采后頂板7～10倍采高內(nèi)厚層砂層對頂板破斷影響最大，通常稱該砂巖層為關(guān)鍵層，根據(jù)砂巖硬度及厚度不同進(jìn)一步劃分主、次關(guān)鍵層。松散承壓含水層作用下，一定覆巖條件的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)發(fā)生整體破斷失穩(wěn)是造成壓架突水的根本原因?；鶐r厚度較薄時，覆巖中控制巖層運(yùn)動的關(guān)鍵層數(shù)目減少，覆巖更容易發(fā)生整體破斷導(dǎo)致壓架突水事故發(fā)生。因此，要分析壓架突水的危險(xiǎn)性，首先需要對覆巖的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別。

2.2 8222工作面覆巖關(guān)鍵層的判別

8222工作面自切眼開始，分別有采前922，255，補(bǔ)296，采前923，24-257，24-2515等鉆孔。隨著工作面推進(jìn)，覆巖關(guān)鍵層層數(shù)及主關(guān)鍵層距離開采煤層的間距有逐漸減小的趨勢。如切眼附近255鉆孔中主關(guān)鍵層距離煤層74.68m，中部補(bǔ)296 鉆孔中主關(guān)鍵層距離煤層42m，收作線附近24-257鉆孔中主關(guān)鍵層距離煤層37.72m。主關(guān)鍵層距離煤層較近，存在將其載荷更多地向下部巖層傳遞的可能性。

在82煤頂板普遍存在一層8m左右的厚層砂巖，在自然情況下不易充分垮落，可能會造成采空區(qū)懸頂，引起支架工作阻力偏大，來壓持續(xù)時間偏長，顯現(xiàn)劇烈。在81煤的頂板同樣存在多層或局部較厚的砂巖，其破斷載荷將作用在82煤頂板，并施加在支架上，引起劇烈程度更大的來壓顯現(xiàn)。在風(fēng)巷附近，關(guān)鍵層數(shù)量減小后，只要煤層頂板出現(xiàn)厚硬巖層，均為主關(guān)鍵層，易造成壓架突水事故發(fā)生。因風(fēng)巷附近鉆孔較少，根據(jù)機(jī)巷922及255鉆孔柱狀，依照由下往上鉆孔柱狀基本一致的情況，推斷風(fēng)巷附近因傾角作用，頂部靠近含水層的巖層會被侵蝕消失。以采前922鉆孔為例，上部32.05m砂巖可能僅剩余約9m，按照這種覆巖結(jié)構(gòu)，判別后認(rèn)為風(fēng)巷附近覆巖屬于主關(guān)鍵層距離煤層較近的情況(小于10倍煤層采高)，在含水層載荷作用下，易造成頂板發(fā)生破斷失穩(wěn)，存在壓架突水危險(xiǎn)。

2.3 突水危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測

根據(jù)判別及分析結(jié)果，將8222工作面里段壓架突水危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了劃分，見圖2。

圖2 8222工作面壓架突水危險(xiǎn)區(qū)域

中段因風(fēng)巷下調(diào)，基巖厚度增大，發(fā)生壓架突水的危險(xiǎn)性較低。外段由24-257鉆孔揭露的主關(guān)鍵層位置距離煤層僅37m 左右，主關(guān)鍵層運(yùn)動可能會對采場礦壓產(chǎn)生明顯影響，而其破斷后下沉空間較大也可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，覆巖裂隙異常發(fā)育，導(dǎo)致突水災(zāi)害發(fā)生，且在7121 工作面開采至24-257鉆孔處，靠近風(fēng)巷位置曾發(fā)生過壓架突水事故。綜合以上分析，預(yù)測外段區(qū)域均存在壓架突水危險(xiǎn)。

3 壓架突水控制技術(shù)

相似條件下該礦發(fā)生多次壓架突水事故，根據(jù)以往開采經(jīng)驗(yàn)和措施，在該工作面使用了頂板超前預(yù)裂爆破、增大工作面支架阻力、地面長觀孔預(yù)警、合理控制推進(jìn)速度等綜合技術(shù)來保證安全回采。

3.1 增大工作面支架阻力

(1)在初撐力不小于27MPa的情況下，支架阻力由初撐力增長至末阻力的時間較短，增阻速度較快，一般在1h 左右可達(dá)到額定阻力，多數(shù)表現(xiàn)為一次增阻特性，單個循環(huán)內(nèi)支架活柱縮量一般小于20mm。支架增阻較快，能夠有效控制頂板初期下沉，是有效防治頂板劇烈來壓時造成頂板下沉量過大甚至壓架的重要手段。

(2)工作面回采過程中，出現(xiàn)頂板壓力持續(xù)較大的顯現(xiàn)，但是工作面安全閥并未大范圍開啟或支架活柱明顯下縮，體現(xiàn)了完整堅(jiān)硬頂板條件下高支護(hù)質(zhì)量的控頂效果。支架額定工作阻力大、頂?shù)装鍒?jiān)硬引起支架圍巖支護(hù)系統(tǒng)整體剛度較大，頂板傳遞作用力與支架支護(hù)效率較高，是引起高壓力現(xiàn)象的主要原因。

(3)支架阻力的實(shí)測校核結(jié)果說明，里段采空區(qū)下合理支架阻力為8225.4kN(額定提高至7789kN)，外段采空區(qū)下需要8384.5kN，7200kN阻力不足。里段、外段實(shí)體區(qū)域支架阻力最大應(yīng)達(dá)到約9045kN 和9500kN。爆破區(qū)阻力低于實(shí)體區(qū)，里段、外段約需8879kN和9108kN。

3.2 風(fēng)巷頂板超前預(yù)裂爆破技術(shù)

頂板超前預(yù)裂爆破技術(shù)是一種防治堅(jiān)硬頂板破斷動載災(zāi)害的技術(shù)，是針對松散承壓含水層下具有壓架突水危險(xiǎn)的頂板結(jié)構(gòu)類型，通過對巷道頂板超前預(yù)裂爆破，弱化煤層頂板一定范圍內(nèi)的主關(guān)鍵層，使其強(qiáng)度弱化，減小破斷距離，從而改變覆巖的破斷特征，使煤層頂板不會隨采動發(fā)生整體破斷，同時減少頂板裂縫帶發(fā)育高度，避免采動造成的頂板裂隙波及含水層出現(xiàn)導(dǎo)水的可能。

根據(jù)8222工作面的開采技術(shù)條件，在風(fēng)巷超前施工頂板預(yù)裂爆破孔，15m一組孔，每組4個孔，布置方式見圖3。

圖3 頂板超前預(yù)裂孔剖面

圖3為一組鉆孔布置剖面圖，鉆孔以不同角度和深度向頂板內(nèi)施工，按照需要預(yù)裂爆破的層位來設(shè)計(jì)鉆孔的角度和長度，本工作面設(shè)計(jì)預(yù)裂爆破孔終孔在82煤頂板上21m左右，分別施工5°，15°，32°，70°共4個不同角度，深度為74，47，31，21m，各孔封孔長度不小于孔深的1/3，通過爆破要求進(jìn)行裝藥和鉆孔爆破。

通過對頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，工作面頂板實(shí)現(xiàn)了隨采隨冒，無大面積懸頂且地面長觀孔水位變化較平緩。

3.3 地面長觀孔預(yù)警

根據(jù)祁東煤礦以往多個壓架突水工作面的開采經(jīng)驗(yàn)，近承壓含水層下開采時，工作面頂板來壓與地面長觀孔水位變化之間有明顯的聯(lián)動效應(yīng)，即劇烈來壓時，長觀孔水位會明顯下降，壓架突水前，長觀孔水位會超前下降，圖4為臨近7121工作面回采過程中長觀孔水位變化曲線。因此提出8222工作面利用地面長觀孔水位降速作為壓架突水前預(yù)警，并及時采取措施。

圖4 7121工作面回采過程中長觀孔水位變化曲線

受 8222 工作面回采影響較大的長觀孔為SQ1、SQ7，其中SQ7長觀孔距離工作面風(fēng)巷較近。長觀孔與工作面位置關(guān)系見圖5?；夭蛇^程中，SQ7 長觀孔對采動的敏感性大于SQ1，因此主要參考SQ7水位變化。

圖5 祁東煤礦四含長觀孔分布

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在8222 工作面的采動條件和含水層的賦存特征下，SQ7 長觀孔水位的平均變化周期約為18d，對應(yīng)推進(jìn)周期約51m。隨著頂板深孔預(yù)裂爆破的實(shí)施，下部堅(jiān)硬巖層能夠及時垮落，使得開采上傳空間減小，當(dāng)推進(jìn)距離較長時距離含水層較近的關(guān)鍵層的懸露空間才能達(dá)到其理論的破斷跨距，因此由水位變化反應(yīng)出的周期性距離增大，時間增長，由最初的14d增大到25d。同時，水位變化與引起工作面來壓的關(guān)鍵層之間的聯(lián)動關(guān)系不明顯。圖6 為工作面回采過程中SQ7 長觀孔水位變化曲線。

3.4 合理控制推進(jìn)度

不同推進(jìn)速度條件下，頂板初次來壓步距不同，推進(jìn)速度慢時的頂板初次來壓步距小于推進(jìn)速度快時的頂板初次來壓步距。不同推進(jìn)速度條件下，頂板下沉量和頂板巖石垮落碎脹程度不同，推進(jìn)速度慢時的頂板下沉量小于推進(jìn)速度快時的頂板下沉量，推進(jìn)速度慢時的頂板巖石垮落碎脹程度大于推進(jìn)速度快時的巖石垮落碎脹程度。推進(jìn)速度過快，將會導(dǎo)致頂板巖石垮落碎脹充分性降低，造成采空區(qū)形成的懸露高度和回轉(zhuǎn)空間大，容易造成頂板來壓距離和來壓時間增長，造成支架承擔(dān)載荷偏大，不利于壓架事故的防范。

圖6 SQ7長觀孔水位隨采動的變化情況

以往工作面出現(xiàn)壓架出水前推進(jìn)速度時快時慢，最大推進(jìn)速度為8.8m/d，該面確定在3.2～4.0m/d，保證工作面頂板有規(guī)律的來壓。

4 結(jié) 論

(1)超前頂板預(yù)裂爆破技術(shù)是突水預(yù)測及控制技術(shù)中最重要的一種技術(shù)，也是防治突水壓架的重要措施。利用長觀孔水位降速作為壓架突水的預(yù)警指標(biāo)，出現(xiàn)水位明顯下降時及時采取措施，有力地保證了工作面的安全回采。

(2)松散含水層下工作面防止壓架突水由最初的被動治理轉(zhuǎn)為主動治理，為相似條件工作面的安全開采提供了參考。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

2017-04-05

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.025

馬 雷(1982- )，男，安徽靈璧人，主任科員，在讀工程碩士，主要從事煤礦安全監(jiān)察工作。

馬 雷.高水壓松散含水層下超長工作面突水預(yù)測及控制[J].煤礦開采，2017，22(4)：96-99，93.

TD745

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1006-6225(2017)04-0096-04