贠東風，谷　斌，陳廣平，伍永平，杜榮華，雷　奇，劉　柱，張袁浩

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.窯街煤電集團有限公司 長山子煤礦，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，張袁浩1

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.窯街煤電集團有限公司 長山子煤礦，甘肅 山丹 734100)

[摘要]針對長山子煤礦大傾角三軟煤層1125綜放工作面頂板突發(fā)泄水問題，分析了礦井水文地質及工作面頂板巖層結構，得出頂板泄水原因為軟弱頂板巖層受開采擾動損傷后，泥巖隔水層產生縱向裂隙繼而向上擴展至含水砂礫巖層形成導水通道導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)、阻礙運輸系統以及劣化工作環(huán)境，采用探放與導排相結合的方法有效地控制了頂板泄水，并用動態(tài)扶架技術扶正了因泄水造成的傾倒支架，最終使工作面安全通過了泄水區(qū)。

[關鍵詞]大傾角；三軟煤層；綜放工作面；頂板泄水；裂隙

近十多年來，隨著開采條件優(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，我國煤炭開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，我國大傾角煤層儲量約占煤炭總儲量的14.05%。這類煤層具有開采難度大、覆巖結構復雜、“支架-圍巖”系統穩(wěn)定性差等特征[1-2]。影響大傾角工作面安全高效開采的因素很多，頂板泄水災害時有發(fā)生，特別是水文條件相對簡單的礦井，開采擾動頂板局部積水下泄影響工作面安全生產未引起足夠重視。

長山子煤礦隸屬甘肅省窯街煤電集團有限公司，1125工作面是該礦第二個回采工作面，開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度弱化、支架空頂以及底板軟化，嚴重影響了“頂板—支架—底板”系統的穩(wěn)定性[3]。由于1125工作面煤質極松軟，碎末軟煤遇泄水形成煤泥，煤泥阻塞工作面運輸設備，降低了工作面運輸效率，導致下端部煤泥量大、機巷淤泥積水多、底板濕滑。惡劣的工作環(huán)境對工人安全作業(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，對指導礦井的安全高效生產具有重要的現實意義。

1工作面概況

1125工作面開采標高為+2200～+2230m，地面標高為+2603.5m，開采煤層為煤二-2，傾角25～38°,平均傾角32°，厚度不穩(wěn)定，平均厚度6.8m，堅固性系數f=0.8，煤層賦存條件極復雜。煤層頂底板巖性特征如表1所示，頂板巖石總體按飽和單軸抗壓強度標準值分類屬軟弱巖石，按軟化系數分類屬軟化巖石；底板巖石總體按飽和單軸抗壓強度標準值分類屬極軟～軟巖類，按軟化系數分類屬軟化巖石。1125工作面開采煤層煤二-2屬大傾角三軟不穩(wěn)定煤層。

表1　煤層頂底板巖性特征

1125工作面于2015年5月22日初采?；夭沙跗?，1～28號支架處頂板突發(fā)不同程度泄水，泄水點主要集中在19號支架上側。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號支架傾倒嚴重，傾角高達40～58°。頂板泄水前與泄水中支架傾角實測結果如圖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，對受頂板泄水影響傾倒最嚴重的3副支架傾角進行跟蹤實測，實測結果如圖2所示，以動態(tài)掌握支架傾倒程度。頂板泄水還導致工作面中下部出現大量煤泥，煤泥頻繁堵塞刮板輸送機并迫使采煤機停機，致使采煤機開機率銳降。頂板泄水共持續(xù)25d，期間僅艱難地生產11d，停產14d，風巷和機巷分別累計推進僅8.4m和6.6m。因此，頂板泄水是造成1125工作面推進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測柱狀

圖2　18～20號支架傾角實測結果曲線

2頂板泄水分析

造成礦井水害的水源一般來自地表水、沖積層含水、砂巖類含水層水以及灰?guī)r類巖溶水[4]。長山子煤礦井田整體呈單斜構造，構造比較復雜，水文地質條件簡單，礦井涌水量小。1125工作面以煤二層頂板侏羅紀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弱影響著頂板水涌出量的大小[5]，經現場實測，工作面最大涌水量約為11m3/h，說明1125工作面頂板砂礫巖含水層富水性較弱。1125工作面機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層泥巖隔水層，沒有其他水源補給。

頂板侏羅紀新河組砂礫巖含水層是頂板水產生和補給的直接來源，是影響頂板穩(wěn)定的關鍵巖層[6]。1125工作面受采動的影響，頂板泥巖隔水層產生縱向裂隙，裂隙向上發(fā)育至砂礫巖含水層形成導水通道，導致局部積聚的頂板水下泄，加之頂板巖層本身的物理力學性質軟弱，與水作用發(fā)生崩解、破壞[7]，使工作面頂板強度弱化更加嚴重，最終裂隙貫穿頂板巖層，導致頂板出現泄水。由于裂隙窄小，通過裂隙補給水量有限，1125工作面頂板泄水呈現出水量小，水流時間長的特征。

3頂板泄水危害

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

3.1支架失穩(wěn)

支架處于穩(wěn)定狀態(tài)時，支架在自身重力G、頂板對支架的合力Q、底板對支架的反作用力N以及左右相鄰支架間的作用力P1，P2，頂底板對支架的摩擦力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，支架容易出現傾倒、滑移形式的失穩(wěn)現象[8]。支架發(fā)生傾倒的根本原因是支架受力平衡遭到破壞，所受合力作用點偏出了支架的下邊緣[9]。1125工作面頂煤較薄，且煤質松軟，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其的約束，頂板對支架的合力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變小，繼而使f2減小，最終支架無法維持平衡狀態(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水煤泥阻塞運輸系統

受頂板泄水影響，1125工作面下段支架傾倒嚴重，支架傾角、架縫均較大，破碎冒漏的頂煤在刮板輸送機上積聚，碎末軟煤和頂板泄水作用形成煤泥，煤泥阻塞刮板輸送機，導致刮板輸送機發(fā)生故障；同時，煤泥水還會減小膠帶輸送機傳動滾筒與膠帶輸送機輸送帶之間的摩擦力，造成膠帶輸送機打滑，影響煤炭正常運輸；煤泥進入煤倉時，在溜煤眼處積聚固結成團塊，阻塞煤倉的溜煤口，造成煤無法溜出，被迫采用爆破松動處理，嚴重影響了煤炭正常運輸。

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強度。由于工作面傾角較大，煤泥受泄水沖刷沿工作面向下流動，在機巷淤積，造成機巷在距離工作面100m左右的范圍內積水和煤泥淤泥嚴重，深度達300mm，行走、作業(yè)異常困難。

4頂板泄水控制

長山子煤礦是新建礦井，在開采第一個工作面時未曾發(fā)生過水害。1125工作面出現頂板泄水屬于突發(fā)情況。為減輕頂板泄水影響，抑制工作面環(huán)境惡化，結合上述工作面地質條件以及泄水分析，提出以下幾項頂板泄水控制措施并付諸實施。

4.1探放與導排

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，在工作面回采過程中，在機巷超前布置探水鉆孔對工作面頂部進行探放，以達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，向靠近工作面方位呈扇形同時布置多個探水鉆孔，終孔進入砂礫巖含水層裂隙帶，超前鉆孔布置如圖5所示。經現場實測，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]

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

圖6　導水用的廢舊風筒布置示意

4.2支架穩(wěn)固

大傾角煤層綜放開采的核心是工作面支護系統的穩(wěn)定性[3]。為了防止頂板泄水造成工作面支架失穩(wěn)，對頂煤破碎、空頂區(qū)域及時絞頂，使支架能夠有效支撐頂板，恢復頂板對支架的約束力；使用單體支柱斜撐支架以防支架傾倒；在架前打護幫護頂超前錨桿，以防頂煤漏冒。針對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動態(tài)扶架

對1125工作面受泄水造成傾倒嚴重的支架采用動態(tài)扶架技術[11]，即在扶起傾倒支架的同時迅速拉架，支架貼緊煤壁后立即升架確保支架接頂并達到額定初撐力，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結論

1125工作面頂板水來自煤二層頂板侏羅紀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影響，泥巖隔水層產生縱向裂隙向上擴展至含水砂礫巖層形成導水通道，導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致支架空頂，弱化了頂板強度并造成工作面支架傾倒失穩(wěn)；所采取的探放和導排水措施有效地抑制了1125工作面的頂板泄水；采用動態(tài)

扶架技術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了頂板泄水影響區(qū)。

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[責任編輯：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

[作者簡介]贠東風(1962-)，男，陜西臨潼人，教授，主要從事巷道支護、復雜煤層開采與系統復雜性方面的教學與科研。

[中圖分類號]TD745

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)03-0125-03

[引用格式]贠東風，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].煤礦開采，2016，21(3)：125-127，84.