設(shè)計(jì)與開采對軟弱頂板冒裂帶及出水的影響

張盼杰

（新汶礦業(yè)集團(tuán)（伊犁）能源開發(fā)有限責(zé)任公司一礦，新疆 伊寧 835000）

近幾年，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，新疆煤炭資源的開發(fā)利用已經(jīng)納入國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，但由于新疆地區(qū)煤炭資源開發(fā)較晚，且地質(zhì)條件特殊，導(dǎo)致對五大災(zāi)害的致災(zāi)因素研究仍處于初級階段，尚未形成災(zāi)害防治體系[1-2]。因此開展五大災(zāi)害防治研究意義深遠(yuǎn)，特別是對水害威脅嚴(yán)重的伊犁礦區(qū)更是至關(guān)重要[3]。

目前，主要從探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)等方面，對礦井水害進(jìn)行防治，而忽略了開采方法與工程設(shè)計(jì)對防治水的影響。 本文以伊犁礦區(qū)伊犁四礦21103 和21105 工作面為背景，對煤炭開采與工程設(shè)計(jì)對防治水的影響進(jìn)行研究。

1 礦區(qū)概況

伊犁礦區(qū)伊犁四礦位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州霍城縣東南部，井田地形崎嶇，沖溝縱橫，切割強(qiáng)烈，總體地勢東北高西南低，屬低山丘陵地貌，井田附近發(fā)育有季節(jié)性小股溝谷流水和小泉水，較大的季節(jié)性溝流呈梳狀分布在井田外圍。 21103 和21105 工作面主采21-1煤，位于+660 水平11 采區(qū)南部，工作面總體為一單斜構(gòu)造，切眼高停采線低，上順槽高下順槽低。 其中21103 工作面走向長1 200 m，傾斜寬120 m；21105 工作面走向長1 440 m，傾斜寬240 m。 煤層傾角平均6°，煤層厚度4.8～8.5 m，平均7.1 m。對應(yīng)地面標(biāo)高為+860～+950 m，煤層底板標(biāo)高為+720～+895 m，煤層埋深55～140 m，平均埋深約100 m。煤層頂板無厚而堅(jiān)硬的老頂，主要由泥巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖交互組成，單層厚度0.7～10.85 m，平均厚2.94 m，各類巖石軸向飽和抗壓強(qiáng)度僅0.1～8.9 MPa，屬低強(qiáng)度軟弱巖類。

2 “兩帶”高度確定

2.1 “兩帶” 計(jì)算高度

一般情況下，工作面開采后，由于受上覆地層壓力及采動對頂板巖層的破壞，頂板形成冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶與彎曲下沉帶。 根據(jù) 《煤礦防治水細(xì)則》與《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定，計(jì)算公式（1）如下。

工作面頂板為軟巖，天然抗壓強(qiáng)度為12.2～16.2 MPa，依據(jù)上述規(guī)定經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的冒落帶高度：

式中：為累計(jì)煤厚，m；Hk為冒落帶高度，m；Hf為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，m。

導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度：

平均煤厚取7.1 m，將參數(shù)代入，計(jì)算得冒落帶高度 Hk為10.8 m，導(dǎo)水裂縫帶高度Hf為30.3 m。

2.2 “冒落帶”的實(shí)測高度

為確定工作面上覆巖層受采動后導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶發(fā)育高度，礦井在21103 工作面以北21-1 回風(fēng)大巷位置和21103 工作面采空區(qū)上方先后施工了一個采前對比孔DF01，與兩個采后孔CH01、CH02。 采用鉆孔沖洗液漏失量與彩色鉆孔電視進(jìn)行觀測。

CH01 鉆孔的沖洗液漏失量觀測，從孔深39.53 m 開始，至孔深41.98 m 沖洗液全部漏失且不再返水；鉆孔水位變化的觀測，從孔深39.53 m開始，至孔深59.62 m 觀測不到水位。 CH02 鉆孔的沖洗液漏失量觀測，從孔深47.24 m 開始，至孔深51.14 m 沖洗液全部漏失且不再返水；鉆孔水位變化的觀測從孔深45.44 m 開始，至孔深51.58 m 觀測不到水位。

綜合2 個采后孔沖洗液漏失量觀測分析成果，21103 工作面采后“兩帶”觀測鉆孔垮落帶高度觀測成果，采厚7 m，實(shí)測冒落帶為23.1 m，導(dǎo)水裂縫帶為39.2 m。

根據(jù)實(shí)際觀測，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度為39.2 m，裂采比為5.6，而21103 工作面頂板實(shí)際距古近系含水層的距離在29～35 m 之間，頂板含水層的水壓在1.1 MPa 左右，按以上數(shù)據(jù)和以往經(jīng)驗(yàn)均認(rèn)為工作面會發(fā)生潰砂潰水事故。

3 涌水分析

工作面頂板主要受古近系砂礫巖孔隙含水層影響，含水層厚度26～58 m，平均36 m，主要由砂礫巖、粗砂巖組成，膠結(jié)松散、富水性不均一、總體弱至中等；含水層至煤層頂板間距29～35 m，之間巖性主要為泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖等組成，巖層遇水易泥化，屬軟質(zhì)巖類。 在推采過程中，21103 工作面共出現(xiàn)5 次淋水，21105 工作面共出現(xiàn)4 次淋水，但每次涌水量都較小，且涌水時間相對較短，最大涌水量80 m3/h，14 小時后水量減小至4 m3/h，并最終消失。

3.1 21103工作面出水分析

21103 工作面推進(jìn)至245 m 處，進(jìn)入頂板含水層下開采，工作面下端頭采空區(qū)頂板首次出現(xiàn)淋水，水量較小，分析認(rèn)為由于頂板采用“錨桿+錨索”支護(hù)，頂板冒落不及時，裂縫帶向上發(fā)育導(dǎo)通含水層所致。當(dāng)工作面推進(jìn)至500 m 左右，下順槽開始調(diào)采，結(jié)合工作面設(shè)計(jì)可知，在調(diào)采區(qū)域上順槽推采速度慢，對上順槽側(cè)頂板重復(fù)擾動，使裂縫帶向上發(fā)育充分，從而導(dǎo)通頂板含水層。 在工作面上端頭采空區(qū)頂板首次出現(xiàn)淋水，最大涌水量23 m3/h。 當(dāng)工作面推至756 m，受礦井檢修影響，工作面出現(xiàn)短時間停采，導(dǎo)致裂縫帶向上發(fā)育，導(dǎo)致工作面整體出現(xiàn)淋水，最大涌水量37 m3/h，24小時后水量減小至3 m3/h。 工作面推進(jìn)至1 163 m時，工作面開始末采造面，推采速度緩慢，對頂板破壞持續(xù)時間長，工作面出現(xiàn)涌水，初始涌水量8 m3/h，之后涌水量逐漸增大至20.5 m3/h，隨后減小穩(wěn)定至12.4 m3/h。 工作面撤面過程中，工作面支架自下端頭往上撤至11#支架時下端頭冒落，冒落區(qū)出現(xiàn)涌水，初始涌水量為33 m3/h，之后減小穩(wěn)定至28 m3/h；工作面下順槽密閉后涌水量減小至23 m3/h；工作面采空區(qū)涌水減小穩(wěn)定至18 m3/h；分析認(rèn)為，在回撤過程中，由于回撤速度慢，頂板冒落裂縫帶向上發(fā)育充分，從而出現(xiàn)淋水，正常推采情況下出水量非常小。

3.2 21105工作面出水分析

21105 工作面推進(jìn)173 m 處，進(jìn)入頂板含水層下開采，工作面下端頭區(qū)域首次出現(xiàn)涌水，斷斷續(xù)續(xù)到工作面開采結(jié)束。 由于頂板為全錨索支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度大，使頂板不能及時整體性冒落，形成出水現(xiàn)象，并且一直保持到工作面結(jié)束。 由于調(diào)采區(qū)域推采速度緩慢，上端頭出現(xiàn)淋水。 當(dāng)工作面采至1 073 m，距工作面停采位置367 m，短時間停采后推采時，涌水量出現(xiàn)短時間增大現(xiàn)象，最大涌水量約80 m3/h，14 小時后水量減小至4 m3/h；分析認(rèn)為，由于停采后再推采時速度緩慢，裂縫帶發(fā)育時間長，發(fā)育高度增大，導(dǎo)致涌水增加。 工作面推進(jìn)至1 284 m 時，下端頭架后冒落區(qū)涌水量由5 m3/h增加至19 m3/h，之后涌水逐漸減小穩(wěn)定至8 m3/h。工作面撤面過程中，支架自下端頭往上撤至4#支架時下端頭冒落，冒落區(qū)涌水增加至26 m3/h；工作面支架回撤至13#支架時冒落區(qū)涌水增加至30 m3/h。 工作面下順槽密閉后涌水量減小至28 m3/h，工作面采空區(qū)涌水減小穩(wěn)定至19 m3/h。

3.3 工作面出水原因分析

從21103 和21105 工作面出水情況和出水原因分析，出水地點(diǎn)：一是順槽巷道支護(hù)較強(qiáng)，不易冒落的端頭地點(diǎn)；二是推采較慢不正常的地點(diǎn)；三是設(shè)計(jì)不規(guī)則造成推采慢的地點(diǎn)；四是末采和回撤地點(diǎn)。 在工作面均勻快速推采過程中，均未出現(xiàn)較大涌水現(xiàn)象。 地面隨周期來壓出現(xiàn)有規(guī)律地沉陷，并且沉陷步距與周期垮落步距基本一致，說明工作面在均勻快速推采過程中，采動后頂板軟層隨采隨落，垮落帶高度達(dá)到3 倍左右采高時，裂縫開始發(fā)育，但由于頂板為軟弱巖層，加之推采速度快，在裂隙發(fā)育初期，頂板形成周期整體性快速垮落，如圖1 所示。 其中泥巖、粉砂巖等軟巖在垮落后快速壓實(shí)，彌合裂隙導(dǎo)水通道，減小了水害威脅。

圖1 薄基軟巖煤層大面積采空區(qū)覆巖破壞發(fā)育形態(tài)預(yù)想剖面

4 現(xiàn)場應(yīng)用

據(jù)21103 和21105 工作面出水及冒落分析，對接替面21111 工作面設(shè)計(jì)與支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，并對推采速度做了具體要求。 工作面設(shè)計(jì)為利于快速推采的規(guī)則矩形，走向長1 600 m，傾斜寬240 m。 巷道支護(hù)方式以錨桿支護(hù)為主，在頂板破碎地段配錨索加強(qiáng)支護(hù)。 推采過程中，對超前段錨索進(jìn)行退錨，以利于推采后上下順槽隨周期來壓快速冒落；工作面勻速穩(wěn)采，保證冒落步距合理。該面回采以來工作面頂板未出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。 采空區(qū)出水量穩(wěn)定在5 m3/h，表明工作面設(shè)計(jì)、支護(hù)方案及推采速度比較合理，在伊犁礦區(qū)薄基軟巖的情況下，對防治水工作起到了至關(guān)重要的作用。

綜上分析，伊犁礦區(qū)回采工作面頂板軟巖采動影響不符合典型的頂板“三帶”理論，在工作面設(shè)計(jì)規(guī)則、支護(hù)合理、勻速穩(wěn)采的情況下，軟巖頂板隨著周期來壓而快速整體冒落，形成整體滑移帶，冒落后其導(dǎo)水裂縫帶尚未明顯發(fā)育，且同時遭受壓實(shí)，彌合導(dǎo)水通道從而減小了水害威脅。

5 結(jié)論

1）鑒于工作面頂板為軟弱巖性，其采動后隨采隨冒，垮落高度在3 倍采高時裂縫開始發(fā)育。 但由于軟巖頂板在快速推采條件下形成周期整體性快速垮落，其中泥巖、粉砂巖等軟巖在垮落后快速壓實(shí)，彌合裂縫導(dǎo)水通道，減小了水害威脅。

2）裂縫發(fā)育高度受工作面開采速度影響。 若推采緩慢，頂板巖層受到長時間的擾動影響，裂縫發(fā)育高度增大，增加了導(dǎo)通含水層的可能性，從而增大突水可能性。

3）結(jié)合21103 和21105 工作面設(shè)計(jì)，由于工作面方位變化，在下順槽側(cè)調(diào)采時影響推采速度，上順槽側(cè)推采速度緩慢，導(dǎo)致頂板受開采動壓影響時間長，裂縫發(fā)育高度增大，從而導(dǎo)通含水層形成出水。

4）對21103 與21105 工作面支護(hù)方式進(jìn)行對比，由于21105 工作面為全錨索支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度大，使順槽頂板不能隨周期來壓及時冒落，從而影響裂縫的發(fā)育高度，導(dǎo)通含水層，在整個推采過程中下順槽持續(xù)有淋水現(xiàn)象。