薄基巖區(qū)頂板高水壓工作面安全開采技術(shù)應(yīng)用研究

段志鴻

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司地質(zhì)處 ，山西 方山 033100）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)店坪煤礦位于山西省呂梁地區(qū)方山縣西南約30km處大武鎮(zhèn)水源村—楊家塔村—木瓜里村一帶，該礦現(xiàn)階段主要進(jìn)行5#、9#煤層的開采，5#煤層厚度在2.6～3.0m之間，工作面范圍內(nèi)煤層較穩(wěn)定，含有兩到三層夾矸，夾矸多為砂質(zhì)泥巖，厚度在0.2～0.35m之間，為井田內(nèi)穩(wěn)定可采煤層。煤層傾角為6～8°，屬于緩傾斜煤層。煤層頂板為砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖，煤（巖）層賦存特征見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

即將進(jìn)行回采的5-211工作面位于該礦東部的二盤區(qū)，工作面北部與回風(fēng)大巷相鄰，東側(cè)為5-207工作面采空區(qū)，西側(cè)為未采掘的5-209工作面，5-211工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝。采用頂板仰上孔探測(cè)和三維地震勘探技術(shù)，分析5-211工作面上覆巖層的基巖厚度和頂板松散巖層的富水性，基巖厚度等值線對(duì)比圖如圖1所示，5-211工作面具有煤層埋深淺，基巖薄的特點(diǎn)，工作面開采過程中面臨較大的突水潰砂等事故的威脅，為對(duì)5-211工作面水體下采煤進(jìn)行綜合的安全性評(píng)價(jià)，確保工作面的安全開采展開相關(guān)的研究。

圖1 5-211工作面頂板物探與鉆探成果對(duì)比圖

2 突水潰砂原因分析

店坪煤礦5-207工作面回采過程中，頂板出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的突水潰砂現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)頂板巖層探測(cè)鉆孔的資料，發(fā)生該現(xiàn)象的位置基巖厚度一般為25～30m，在鉆孔鉆進(jìn)過程中，松散層底部的土層強(qiáng)度很低，該出砂區(qū)域?yàn)樯暗[“天窗區(qū)”。5-207工作面采高約為3m，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程的要求計(jì)算防砂安全煤柱厚度為[1～2]：

式中：Hs為防砂安全煤（巖）柱厚度，單位：m；Hm為垮落帶高度，單位：m；Hb為保護(hù)層厚度，單位：m；

圖2 防砂安全煤（巖）柱計(jì)算模型

防砂安全煤（巖）柱計(jì)算模型如圖2所示，采用《“三下”采煤規(guī)程》中硬覆經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到5#煤層開采垮落帶的高度為9.06m，保護(hù)層的厚度取三倍的采高為9m，所以Hs=19.06m，5-207工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中留設(shè)的防砂煤柱厚度為20m，仍發(fā)生了突水潰砂事故，由此說明，原防砂安全煤（巖）柱厚度的確定方法在楔形保水壓結(jié)構(gòu)下適用效果很差。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[3]，5-207工作面開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為29.8m，導(dǎo)水裂縫帶高度大于突水潰砂區(qū)域的基巖厚度，由于工作面的采動(dòng)影響，楔形保水壓結(jié)構(gòu)中的高壓含水層內(nèi)的水沿導(dǎo)水裂隙攜帶沙粒涌入工作面，因此防砂安全煤（巖）柱的穩(wěn)定性受到頂板高壓水的影響。防砂安全煤巖柱由頂板垮落帶和保護(hù)層組成，其中保護(hù)層的穩(wěn)定性是工作面防止發(fā)生潰砂的安全保障，對(duì)阻水阻砂起著關(guān)鍵的作用，若導(dǎo)水裂隙帶將保護(hù)層貫穿后，高水壓滲流作用使風(fēng)化泥巖的采動(dòng)裂縫瞬間得以擴(kuò)展，當(dāng)裂隙擴(kuò)展到一定的程度，保護(hù)層完全失穩(wěn)，繼而導(dǎo)致工作面發(fā)生突水潰砂事故，因此頂板高壓水的工作面開采時(shí)，防砂安全煤（巖）柱的厚度應(yīng)充分考慮頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況，確保防砂安全煤（巖）柱的穩(wěn)定性。

3 覆巖破壞數(shù)值模擬分析

為更加合理的確定5-211工作面高壓水體下采煤安全煤（巖）柱的厚度，根據(jù)該工作面詳細(xì)的地質(zhì)條件，采用離散元模擬軟件[4～5]對(duì)薄基巖區(qū)工作面回采時(shí)上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，建立如圖3所示的數(shù)值模型，模型尺寸：長×寬×高=200×300×120m，煤層厚度為3m，覆巖厚度為100m，根據(jù)工作面埋深的實(shí)際情況在上部施加3.5MPa的均布載荷，模型上邊界為自由邊界，下部邊界為固定邊界，垂直方向上位移為0，兩側(cè)的邊界x方向?yàn)楣潭ㄣq支座，y方向無位移約束。模擬過程：工作面每推進(jìn)10m平衡一次，共模擬開挖120m。

圖3 數(shù)值模型

圖4 覆巖位移垮落模擬結(jié)果

由于篇幅所限，僅將典型的模擬結(jié)果展示在圖中，由模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)工作面回采20m時(shí)，直接頂破碎垮落，老頂發(fā)生初次斷裂，老頂破斷形成“短砌體梁”結(jié)構(gòu)，工作面出現(xiàn)較為顯著的來壓現(xiàn)象；工作面推進(jìn)40m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層的垮落高度和垮落范圍明顯增大，失穩(wěn)巖體的邊界初次出現(xiàn)較小的“馬鞍”型，老頂周期性破斷形成規(guī)則的塊體，沙土層出現(xiàn)較大的變形，呈臺(tái)階狀下沉；當(dāng)工作面推進(jìn)80m時(shí)，覆巖破壞形成的”馬鞍”型變得明顯，頂板巖層進(jìn)一步位移，頂板巖層的破壞高度達(dá)到34m；工作面推進(jìn)至120m時(shí)，上覆巖層呈馬鞍型破壞范圍增大，導(dǎo)水裂縫帶高度與工作面回采80m時(shí)基本相同，巖層移動(dòng)角為75°左右，覆巖的破壞范圍在采空區(qū)前后邊界附近達(dá)到最大，導(dǎo)水裂隙帶高度約為35m。

4 高水壓下工作面安全開采技術(shù)

根據(jù)以上研究可知，導(dǎo)致回采工作面發(fā)生突水潰砂事故的主要原因?yàn)轫敯鍘r層內(nèi)的高壓水及工作面回采導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育，店坪煤礦5-211工作面回采過程中，由以上兩點(diǎn)出發(fā)，對(duì)高水壓防砂安全煤（巖）柱的失穩(wěn)進(jìn)行防治。5-211工作面回采巷道掘進(jìn)過程中，上、下順槽每間隔100m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，對(duì)頂板基巖厚度及涌水情況進(jìn)行探查，根據(jù)模擬分析的結(jié)果，頂板巖層基巖的厚度應(yīng)當(dāng)大于等于35m，當(dāng)基巖厚度達(dá)到該要求時(shí)，每個(gè)鉆場(chǎng)施工2～3個(gè)鉆孔對(duì)上覆巖層內(nèi)的高壓水進(jìn)行疏放；當(dāng)基巖厚度小于35m時(shí)，加強(qiáng)頂板的探測(cè)和高壓水的疏放，探測(cè)孔終孔間距小于等于30m，每個(gè)鉆場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)脑黾犹讲榭椎臄?shù)量，鉆孔的布置詳情如圖5所示。

圖5 5-211工作面頂板探查孔布置示意圖

5-211工作面局部區(qū)域基巖厚度小于30m，僅通過工作面疏水降壓并不能完全避免工作面突水潰砂的威脅，在此區(qū)域采用限厚開采技術(shù)，正?；夭呻A段，工作面采高為3.0m，在基巖變薄區(qū)域工作面采高為2..2m，限厚開采的范圍如圖6所示，工作面推進(jìn)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行工作面探放水、開采技術(shù)和防水防砂安全等措施，最終完成了整個(gè)工作面的安全高效回采，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖6 5-211工作面限厚開采范圍

5 結(jié)論和建議

根據(jù)店坪煤礦5-211工作面頂板仰上孔探測(cè)和三維地震勘探結(jié)果，5-211工作面頂板巖層基巖的厚度在20～35m之間，工作面回采面臨較大的頂板突水潰砂的威脅，通過理論分析和數(shù)值模擬得知，工作面突水潰砂的主要由于頂板巖層內(nèi)的高壓水和工作面回采形成的導(dǎo)水裂隙帶，因此，5-211工作面回采前對(duì)頂板高壓水進(jìn)行超前探放，在基巖變薄帶通過限高開采（采高2.2m）來控制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，最終實(shí)現(xiàn)了5-211工作面的安全高效開采，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。