采煤工作面淋水潰泥垮冒原因分析

甘海龍

（中鼎國際建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330096）

1 概述

印尼朋古魯煤礦位于印度尼西亞蘇門答臘島明古魯省中部縣境內(nèi)，距明古魯省城45 km。印尼朋古魯煤礦是由中鼎國際工程有限責(zé)任公司與印尼維查雅集團(tuán)合作開發(fā)的煤電項(xiàng)目，現(xiàn)有兩井一廠（一井、二井和電廠），兩礦井相距4.3 km。

井田內(nèi)只有一層可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層厚度1.54～8.97m，平均厚度5 m。開采揭露表明，大部分煤層為厚及特厚煤層。煤層有兩層0.3～0.6 m夾矸（火山噴發(fā)形成的凝灰?guī)r），大部份屬緩傾斜煤層，但局部煤層傾角達(dá)30°，煤層頂板主要為層理明顯的灰白色中粒砂巖、黑色泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，其中直接頂為薄～中厚層狀黑色泥質(zhì)粗粉砂巖（含植物化石），上覆巖層中無含水層；底板為海相泥質(zhì)砂巖（見圖1）。井田內(nèi)地表涇流條件較好，大氣降水大部分由地表流入山溝，流出井田；少量通過風(fēng)化裂隙帶及采空區(qū)裂隙帶滲透至井下，為礦井涌水的主要來源。

圖1 朋古魯煤礦煤田綜合地層柱狀圖

朋古魯煤礦二井2405工作面煤層底板標(biāo)高+59 m～+120 m，地表標(biāo)高+280 m～+340 m。工作面走向長度1160m，傾向長度140m，傾角3°～8°。工作面選用ZH2000/22/32Z(Q)型懸移支架、MG132/320-WD型采煤機(jī)和SGZ630/220型刮板輸送機(jī)。工作面旱季涌水量7 m3/h，雨季涌水量50 m3/h。

2 工作面淋水潰泥垮冒形成過程

朋古魯煤礦二井2405工作面出現(xiàn)淋水潰泥垮冒位置（見圖2），皮帶道底板標(biāo)高+100 m，風(fēng)巷底板標(biāo)高+109 m，地表標(biāo)高+300 m～+310 m，工作面長度140m，傾角約4°。2405工作面累計(jì)安裝懸移支架140架，支架編號(hào)原則為自工作面機(jī)頭部至機(jī)尾部，編號(hào)從1號(hào)～140號(hào)。

圖2 2405工作面淋水潰泥垮冒位置

淋水潰泥垮冒形成的過程可分為三個(gè)階段。第一階段為淋水階段；第二階段為來壓垮冒階段；第三階段為淋水潰泥垮冒階段。

淋水階段：2405工作面自切眼起，風(fēng)巷累計(jì)推進(jìn)了70.4m，皮帶道累計(jì)推進(jìn)了77.6 m開始出現(xiàn)淋水。淋水位置為65號(hào)懸移支架前后約2架位置，即工作面中部63～67 m范圍。隨著工作向前推進(jìn)，淋水位置向工作面機(jī)頭位置下移。在出現(xiàn)淋水潰泥垮冒前，工作面淋水位置在12～15 m范圍。

來壓垮冒階段：煤層底板（泥質(zhì)砂巖）在水浸下逐漸軟化，支架支柱下插，造成頂板的支護(hù)強(qiáng)度不足、頂板下沉量增大、工作面高度不足，支架支柱被壓死。在此過程中，上覆巖層先后出現(xiàn)離層、垮冒、破碎，來壓垮冒射碴堵塞工作面斷面。工作面機(jī)頭位置的1～2號(hào)架受頂板來壓影響，支架伸縮板部分撲在630型刮板輸送機(jī)機(jī)頭上，采煤機(jī)及大塊矸石無法通過刮板輸送機(jī)機(jī)頭；3～5號(hào)板因頂板垮冒導(dǎo)致工作面行人通道僅能容一人爬行（見圖3）。

圖3 工作面機(jī)垮冒位置

淋水潰泥垮冒階段：工作面機(jī)頭位置垮冒后，采煤機(jī)滾筒無法行駛至機(jī)頭位置，且輸送機(jī)被煤矸石壓死。為了將機(jī)頭位置支架撐起來，從2105皮帶道沿工作面煤壁開切口，切口采用單體柱、懸臂梁及圓木平鋪的方式進(jìn)行支護(hù)，采用風(fēng)鎬進(jìn)行落煤。鋪完前4根圓木時(shí)，切口無淋水，支護(hù)未變形；鋪完第5根圓木時(shí)，開始出現(xiàn)滴水現(xiàn)象；鋪完第6根圓木時(shí)，齊頭有水流出，水量逐漸變大；鋪第7根原木時(shí)，頂板有來壓斷裂聲響，圓木向工作面方向傾斜、并出現(xiàn)圓木被折斷爆裂現(xiàn)象。頂板泥質(zhì)砂巖在淋水作用下軟化膨脹成泥狀，沿圓木間縫隙、圓木與懸移支架的間縫隙擠入切口內(nèi)，30 min內(nèi)將約長2m、2m寬、1.8m高的切口充填滿（見圖4）。

圖4 切口淋水潰泥充填

圖5 新開切口

圖6 頂板形成的泥石流潰入皮帶道

切口被充填后，無法再進(jìn)行作業(yè)。選擇在原開切口的左幫另開新切口（見圖5）。在新切口鋪完第2根圓木時(shí)，工作面再次來壓并伴隨巖層斷裂響聲，頂板泥質(zhì)砂巖在水作用下，呈泥石流狀潰入至2105皮帶道，皮帶道全斷面堵塞8m（見圖6）。

3 淋水潰泥垮冒原因分析

3.1 淋水形成的原因

工作面自切眼位置 向前推進(jìn)，基本是在初次來壓之后，頂板會(huì)出現(xiàn)周期性破斷、垮落。上覆巖層在地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，隨著頂板的破斷、垮落，出現(xiàn)移動(dòng)、變形、破壞和垮落沉降，從而在上覆巖層中形成三帶（見圖7）。

圖7 上覆巖層移動(dòng)、變形和破壞分帶

朋古魯煤礦二井2405工作面上覆巖層為海相泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度較低、膠結(jié)性較弱。在沉降拉伸應(yīng)力作用下，巖層出現(xiàn)斷裂和裂隙，隨著裂隙延展連通基巖風(fēng)化裂隙帶而導(dǎo)通地表。井田地表為山區(qū)地貌，溝壑溪溝發(fā)育，為地表主要排水通道。上覆巖層“三帶”的形成為地表水滲透至井下創(chuàng)造了條件。

工作面推進(jìn)長度小于工作面長度，基本頂出現(xiàn)周期破斷后，沿工作面方向形成兩端剛性固定的梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)模型（見圖8）。

圖8 沿工作面方向連續(xù)均布載荷力學(xué)模型

由力學(xué)模型可知，沿工作面方向上覆巖層在應(yīng)力作用下，中部先出現(xiàn)下沉、拉裂，然后出現(xiàn)破斷、垮落。因此，裂隙水自地表滲透至工作面，中部會(huì)最先出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。隨著工作面向前推進(jìn)，基本頂沿工作面傾斜方向也會(huì)逐漸出現(xiàn)破斷，從而導(dǎo)致裂隙水逐步向工作面機(jī)頭方向移動(dòng)。工作面因受淋水影響，底板變軟，工作面推進(jìn)速度緩慢，更有助于基本頂沿機(jī)頭位置方向破斷，從而引起淋水段逐步下移。

3.2 來壓垮冒形成原因

工作面在推進(jìn)過程中，上覆巖層出現(xiàn)周期性來壓，垮冒形成砌體梁結(jié)構(gòu)，基本頂同轉(zhuǎn)對(duì)直接頂穩(wěn)定性影響。在支架上前方形成塑性區(qū)，在基巖下方形成拉斷區(qū)（見圖9）。由于朋古魯煤礦二井2405工作面底板砂巖遇水膨脹變軟，懸移支架支柱下插，支護(hù)強(qiáng)度不足，在上覆巖層重力作用下，頂板從塑性區(qū)和拉斷區(qū)處斷裂破壞，致使煤層頂板出現(xiàn)破碎、垮冒、射碴。

圖9 基本頂同轉(zhuǎn)對(duì)直接頂穩(wěn)定性影響

3.3 潰泥垮冒形成原因

上覆巖層形成的砌體梁結(jié)構(gòu)，因工作面出現(xiàn)了垮冒，下部失去支撐點(diǎn)，加之裂縫水的雙重作用而出現(xiàn)失穩(wěn)。砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前期表現(xiàn)為摩擦支撐點(diǎn)逐漸下滑，工作面逐漸來壓；失穩(wěn)后期完全失去摩擦支撐點(diǎn)，表現(xiàn)為上覆巖層大面積來壓垮冒。裂縫水一方面加速了砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；另一方面又軟化了泥質(zhì)砂巖，將泥質(zhì)砂巖變成了泥漿，最終形成潰泥垮冒。故在朋古魯煤礦2405工作面機(jī)頭位置開切口鋪圓木時(shí)，先是出現(xiàn)了泥沙擠入切口；繼而是突發(fā)性的大面積來壓垮冒，導(dǎo)致2105皮帶道全面積堵塞。

3.4 其它原因

（1）2405工作面淋水未得到有效處理，底板出現(xiàn)大面積變軟，懸移支架支柱出現(xiàn)下插，導(dǎo)致支架的支撐力不足。

（2）懸移支架支柱下插導(dǎo)致工作面移架困難，工作面的推進(jìn)速度較慢，為上覆巖層垮冒和砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)創(chuàng)造了條件。

（3）現(xiàn)場管理不善。工作面出現(xiàn)淋水后，未采取有效措施進(jìn)行排水，也未根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行留底煤，減少底板的破壞。

4 工作面恢復(fù)措施

1）2105皮帶道被堵塞后，及時(shí)切斷了中上山以內(nèi)所有電氣設(shè)備的電源。

2）在工作面中上山外安裝局部通風(fēng)機(jī)，對(duì)2105皮帶道恢復(fù)局部通風(fēng)，并開啟中上山風(fēng)門。

3）對(duì)2105皮帶道進(jìn)行積水疏排，淤泥清理和巷道修理加固，逐步恢復(fù)2405工作面通風(fēng)、供電和排水系統(tǒng)。

4）工作面疏通之后，因2405工作面機(jī)頭位置仍然存在垮冒風(fēng)險(xiǎn)，將2105皮帶道自工作面煤墻位置退出22 m開門，施工補(bǔ)切和補(bǔ)順，并貫通工作面機(jī)頭上部15m位置，將工作面頭上15m的淋水垮冒段甩掉。

5 結(jié)語

朋古魯煤礦2405工作面機(jī)頭位置淋水潰泥垮冒致使2105皮帶道全斷面堵塞，工作面無法進(jìn)行有效通風(fēng)，嚴(yán)重威脅礦井的安全。2405工作面出現(xiàn)淋水潰泥垮冒與頂?shù)装鍘r性、上覆巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和裂縫水有必然的聯(lián)系，也是發(fā)生垮冒事故的客觀原因。但是，現(xiàn)場管理不善，淋水未有效處理，才是導(dǎo)致工作面惡性循環(huán)最直接、最主要的原因。