大傾角三軟煤層綜放面頂板泄水危害及控制

贠東風(fēng)，谷　斌，陳廣平，伍永平，杜榮華，雷　奇，劉　柱，張?jiān)?/p>

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.窯街煤電集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)山子煤礦，甘肅 山丹 734100)

大傾角三軟煤層綜放面頂板泄水危害及控制

贠東風(fēng)1,2，谷斌1，陳廣平3，伍永平1,2，杜榮華3，雷奇1，劉柱1，張?jiān)?

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.窯街煤電集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)山子煤礦，甘肅 山丹 734100)

[摘要]針對(duì)長(zhǎng)山子煤礦大傾角三軟煤層1125綜放工作面頂板突發(fā)泄水問(wèn)題，分析了礦井水文地質(zhì)及工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)，得出頂板泄水原因?yàn)檐浫蹴敯鍘r層受開(kāi)采擾動(dòng)損傷后，泥巖隔水層產(chǎn)生縱向裂隙繼而向上擴(kuò)展至含水砂礫巖層形成導(dǎo)水通道導(dǎo)致局部集聚的頂板水下泄。為抑制頂板泄水造成工作面支架失穩(wěn)、阻礙運(yùn)輸系統(tǒng)以及劣化工作環(huán)境，采用探放與導(dǎo)排相結(jié)合的方法有效地控制了頂板泄水，并用動(dòng)態(tài)扶架技術(shù)扶正了因泄水造成的傾倒支架，最終使工作面安全通過(guò)了泄水區(qū)。

[關(guān)鍵詞]大傾角；三軟煤層；綜放工作面；頂板泄水；裂隙

近十多年來(lái)，隨著開(kāi)采條件優(yōu)越的淺埋緩傾斜煤炭資源日益減少，甚至在有些礦區(qū)瀕臨枯竭，我國(guó)煤炭開(kāi)采逐漸向埋藏深傾角大的難采煤層發(fā)展。大傾角煤層一般指傾角為35～55°的煤層，我國(guó)大傾角煤層儲(chǔ)量約占煤炭總儲(chǔ)量的14.05%。這類(lèi)煤層具有開(kāi)采難度大、覆巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性差等特征[1-2]。影響大傾角工作面安全高效開(kāi)采的因素很多，頂板泄水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，特別是水文條件相對(duì)簡(jiǎn)單的礦井，開(kāi)采擾動(dòng)頂板局部積水下泄影響工作面安全生產(chǎn)未引起足夠重視。

長(zhǎng)山子煤礦隸屬甘肅省窯街煤電集團(tuán)有限公司，1125工作面是該礦第二個(gè)回采工作面，開(kāi)采煤層為大傾角三軟不穩(wěn)定煤層。在回采初期，工作面中下部頂板突發(fā)不同程度的泄水。頂板泄水造成工作面頂板強(qiáng)度弱化、支架空頂以及底板軟化，嚴(yán)重影響了“頂板—支架—底板”系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。由于1125工作面煤質(zhì)極松軟，碎末軟煤遇泄水形成煤泥，煤泥阻塞工作面運(yùn)輸設(shè)備，降低了工作面運(yùn)輸效率，導(dǎo)致下端部煤泥量大、機(jī)巷淤泥積水多、底板濕滑。惡劣的工作環(huán)境對(duì)工人安全作業(yè)造成了很大威脅。因此，分析1125工作面頂板泄水原因并有效控制，對(duì)指導(dǎo)礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1工作面概況

1125工作面開(kāi)采標(biāo)高為+2200～+2230m，地面標(biāo)高為+2603.5m，開(kāi)采煤層為煤二-2，傾角25～38°,平均傾角32°，厚度不穩(wěn)定，平均厚度6.8m，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.8，煤層賦存條件極復(fù)雜。煤層頂?shù)装鍘r性特征如表1所示，頂板巖石總體按飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分類(lèi)屬軟弱巖石，按軟化系數(shù)分類(lèi)屬軟化巖石；底板巖石總體按飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分類(lèi)屬極軟～軟巖類(lèi)，按軟化系數(shù)分類(lèi)屬軟化巖石。1125工作面開(kāi)采煤層煤二-2屬大傾角三軟不穩(wěn)定煤層。

表1　煤層頂?shù)装鍘r性特征

1125工作面于2015年5月22日初采?；夭沙跗冢?～28號(hào)支架處頂板突發(fā)不同程度泄水，泄水點(diǎn)主要集中在19號(hào)支架上側(cè)。頂板泄水沖刷頂板泥巖及破碎軟頂煤，造成支架空頂，使8～20號(hào)支架傾倒嚴(yán)重，傾角高達(dá)40～58°。頂板泄水前與泄水中支架傾角實(shí)測(cè)結(jié)果如圖1所示。5月27日～6月14日頂板泄水趨于正常，涌水量約為9.8m3/h。在此期間，對(duì)受頂板泄水影響傾倒最嚴(yán)重的3副支架傾角進(jìn)行跟蹤實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2所示，以動(dòng)態(tài)掌握支架傾倒程度。頂板泄水還導(dǎo)致工作面中下部出現(xiàn)大量煤泥，煤泥頻繁堵塞刮板輸送機(jī)并迫使采煤機(jī)停機(jī)，致使采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率銳降。頂板泄水共持續(xù)25d，期間僅艱難地生產(chǎn)11d，停產(chǎn)14d，風(fēng)巷和機(jī)巷分別累計(jì)推進(jìn)僅8.4m和6.6m。因此，頂板泄水是造成1125工作面推進(jìn)極其緩慢的主要原因之一。

圖1　頂板泄水前泄水中支架傾角實(shí)測(cè)柱狀

圖2　18～20號(hào)支架傾角實(shí)測(cè)結(jié)果曲線

2頂板泄水分析

造成礦井水害的水源一般來(lái)自地表水、沖積層含水、砂巖類(lèi)含水層水以及灰?guī)r類(lèi)巖溶水[4]。長(zhǎng)山子煤礦井田整體呈單斜構(gòu)造，構(gòu)造比較復(fù)雜，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，礦井涌水量小。1125工作面以煤二層頂板侏羅紀(jì)新河組砂礫巖含水層為直接充水含水層，該含水層充水為孔隙裂隙水，頂板巖層富水性的強(qiáng)弱影響著頂板水涌出量的大小[5]，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工作面最大涌水量約為11m3/h，說(shuō)明1125工作面頂板砂礫巖含水層富水性較弱。1125工作面機(jī)巷探巷施工中多處頂板錨索眼出水，鉆孔涌水量特征均為初始出水大，逐漸變小直至疏干,證明含水層之上有數(shù)層泥巖隔水層，沒(méi)有其他水源補(bǔ)給。

頂板侏羅紀(jì)新河組砂礫巖含水層是頂板水產(chǎn)生和補(bǔ)給的直接來(lái)源，是影響頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵巖層[6]。1125工作面受采動(dòng)的影響，頂板泥巖隔水層產(chǎn)生縱向裂隙，裂隙向上發(fā)育至砂礫巖含水層形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致局部積聚的頂板水下泄，加之頂板巖層本身的物理力學(xué)性質(zhì)軟弱，與水作用發(fā)生崩解、破壞[7]，使工作面頂板強(qiáng)度弱化更加嚴(yán)重，最終裂隙貫穿頂板巖層，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)泄水。由于裂隙窄小，通過(guò)裂隙補(bǔ)給水量有限，1125工作面頂板泄水呈現(xiàn)出水量小，水流時(shí)間長(zhǎng)的特征。

3頂板泄水危害

頂板泄水危害主要導(dǎo)致大傾角工作面支架失穩(wěn)、水煤泥阻塞運(yùn)輸系統(tǒng)以及造成工作面環(huán)境劣化。

3.1支架失穩(wěn)

支架處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，支架在自身重力G、頂板對(duì)支架的合力Q、底板對(duì)支架的反作用力N以及左右相鄰支架間的作用力P1，P2，頂?shù)装鍖?duì)支架的摩擦力f1，f2的共同作用下保持平衡狀態(tài)。支架平衡時(shí)的受力情況如圖3所示。

圖3　平衡狀態(tài)下支架受力分析

在大傾角綜放工作面，支架容易出現(xiàn)傾倒、滑移形式的失穩(wěn)現(xiàn)象[8]。支架發(fā)生傾倒的根本原因是支架受力平衡遭到破壞，所受合力作用點(diǎn)偏出了支架的下邊緣[9]。1125工作面頂煤較薄，且煤質(zhì)松軟，遇水泥化，煤層偽頂泥巖隔水層分布不均勻，砂礫巖含水層出水直接沖刷頂板泥巖和頂煤，導(dǎo)致松軟頂煤沿工作面傾斜向上依次抽冒，直至頂煤冒空，最終支架失去頂板對(duì)其的約束，頂板對(duì)支架的合力Q以及摩擦力f1明顯減小，甚至銳減為0；煤層底板巖石松軟有滑面，局部含鋁土質(zhì)成分，遇水軟化，頂板泄水浸泡底板造成支架底座下陷，加劇支架空頂；再者由于煤泥使底板與支架底座之間的摩擦系數(shù)變小，繼而使f2減小，最終支架無(wú)法維持平衡狀態(tài)，造成支架失穩(wěn)傾倒。在頂煤冒空情況下，支架失穩(wěn)受力分析如圖4所示。

圖4　頂煤冒空后支架失穩(wěn)受力分析

3.2水煤泥阻塞運(yùn)輸系統(tǒng)

受頂板泄水影響，1125工作面下段支架傾倒嚴(yán)重，支架傾角、架縫均較大，破碎冒漏的頂煤在刮板輸送機(jī)上積聚，碎末軟煤和頂板泄水作用形成煤泥，煤泥阻塞刮板輸送機(jī)，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)發(fā)生故障；同時(shí)，煤泥水還會(huì)減小膠帶輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒與膠帶輸送機(jī)輸送帶之間的摩擦力，造成膠帶輸送機(jī)打滑，影響煤炭正常運(yùn)輸；煤泥進(jìn)入煤倉(cāng)時(shí)，在溜煤眼處積聚固結(jié)成團(tuán)塊，阻塞煤倉(cāng)的溜煤口，造成煤無(wú)法溜出，被迫采用爆破松動(dòng)處理，嚴(yán)重影響了煤炭正常運(yùn)輸。

3.3作業(yè)環(huán)境劣化

頂板泄水造成1125工作面底板濕滑，加大了工人的操作難度和人工清理浮煤的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于工作面傾角較大，煤泥受泄水沖刷沿工作面向下流動(dòng)，在機(jī)巷淤積，造成機(jī)巷在距離工作面100m左右的范圍內(nèi)積水和煤泥淤泥嚴(yán)重，深度達(dá)300mm，行走、作業(yè)異常困難。

4頂板泄水控制

長(zhǎng)山子煤礦是新建礦井，在開(kāi)采第一個(gè)工作面時(shí)未曾發(fā)生過(guò)水害。1125工作面出現(xiàn)頂板泄水屬于突發(fā)情況。為減輕頂板泄水影響，抑制工作面環(huán)境惡化，結(jié)合上述工作面地質(zhì)條件以及泄水分析，提出以下幾項(xiàng)頂板泄水控制措施并付諸實(shí)施。

4.1探放與導(dǎo)排

探放1125工作面總體泄水量不大，但是不能排除頂板含水層中有較大孔隙的存在，在工作面回采過(guò)程中，在機(jī)巷超前布置探水鉆孔對(duì)工作面頂部進(jìn)行探放，以達(dá)到減小頂板泄水至工作面中。由于煤層頂板軟弱且易碎，大間距布置鉆場(chǎng)，向靠近工作面方位呈扇形同時(shí)布置多個(gè)探水鉆孔，終孔進(jìn)入砂礫巖含水層裂隙帶，超前鉆孔布置如圖5所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用鉆孔放水后，工作面支架頂部泄水量減小為0.6～1.1m3/h。

圖5　超前探水鉆孔布置示意[10]

導(dǎo)排對(duì)于工作面泄水嚴(yán)重位置，在支架下方沿工作面傾向向下懸掛廢舊風(fēng)筒布呈槽型，然后在下端頭將其與導(dǎo)水用廢舊風(fēng)筒連接，風(fēng)筒呈背向工作面3～5°俯角布置，以此將支架頂梁處的泄水導(dǎo)流至機(jī)巷中的臨時(shí)水倉(cāng)，風(fēng)筒導(dǎo)水布置如圖6所示。針對(duì)機(jī)巷積水問(wèn)題，及時(shí)清理巷道，挖好排水水溝，用水泵將機(jī)巷的積水以及從探水鉆孔疏放出的頂板水排出，防止水在機(jī)巷積聚。

圖6　導(dǎo)水用的廢舊風(fēng)筒布置示意

4.2支架穩(wěn)固

大傾角煤層綜放開(kāi)采的核心是工作面支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。為了防止頂板泄水造成工作面支架失穩(wěn)，對(duì)頂煤破碎、空頂區(qū)域及時(shí)絞頂，使支架能夠有效支撐頂板，恢復(fù)頂板對(duì)支架的約束力；使用單體支柱斜撐支架以防支架傾倒；在架前打護(hù)幫護(hù)頂超前錨桿，以防頂煤漏冒。針對(duì)頂板泄水使底板軟化而造成底座下陷的支架，用液壓支架抬底裝置抬起支架底座后移架。

4.3動(dòng)態(tài)扶架

對(duì)1125工作面受泄水造成傾倒嚴(yán)重的支架采用動(dòng)態(tài)扶架技術(shù)[11]，即在扶起傾倒支架的同時(shí)迅速拉架，支架貼緊煤壁后立即升架確保支架接頂并達(dá)到額定初撐力，再將支架與上部穩(wěn)定支架用“鏈條+千斤頂”相連，加裝防倒防滑裝置，防止支架再次傾倒。重復(fù)以上操作，依次由上而下扶起傾倒的支架，直至所有傾倒的支架被扶正。

5結(jié)論

1125工作面頂板水來(lái)自煤二層頂板侏羅紀(jì)新河組砂礫巖含水層的局部積水；1125工作面頂板泄水是由于受采動(dòng)影響，泥巖隔水層產(chǎn)生縱向裂隙向上擴(kuò)展至含水砂礫巖層形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致局部積聚的頂板水下泄；頂板泄水沖落了軟頂煤并沿傾斜向上抽冒導(dǎo)致支架空頂，弱化了頂板強(qiáng)度并造成工作面支架傾倒失穩(wěn)；所采取的探放和導(dǎo)排水措施有效地抑制了1125工作面的頂板泄水；采用動(dòng)態(tài)

扶架技術(shù)扶正了大傾角三軟煤層因頂板泄水造成的傾倒支架；采用控制頂板水害和動(dòng)態(tài)扶架綜合措施使大傾角三軟煤層綜放工作面安全通過(guò)了頂板泄水影響區(qū)。

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[責(zé)任編輯：張玉軍]

Water Inrush Hazard and Controlling in Roof of Fully Top Coal Caving Face with Large Inclined Angle Three-soft Seam

[收稿日期]2015-11-27[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.033

[作者簡(jiǎn)介]贠東風(fēng)(1962-)，男，陜西臨潼人，教授，主要從事巷道支護(hù)、復(fù)雜煤層開(kāi)采與系統(tǒng)復(fù)雜性方面的教學(xué)與科研。

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD745

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0125-03

[引用格式]贠東風(fēng)，谷斌，陳廣平，等.大傾角三軟煤層綜放面頂板泄水危害及控制[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(3)：125-127，84.