陳 濤，劉文崗

(1.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099；2.中國煤炭科工集團 北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

深部特厚頂板富水煤層綜放采高分析與安全開采技術(shù)

陳 濤1，劉文崗2

(1.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099；2.中國煤炭科工集團 北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

針對陜西永隴礦區(qū)崔木煤礦21301首采工作面開采期間發(fā)生的12次涌水、多次大面積來壓、瓦斯積聚等事故災(zāi)害，在研究工作面頂板結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、工作面和頂板來壓及涌水量的基礎(chǔ)上，計算了一次采全高、分層綜放割煤高度、放煤高度及導(dǎo)水裂隙帶高度，分析了含(隔)水層與導(dǎo)水裂隙帶的關(guān)系，得到了綜放開采的安全開采上限，提出了崔木煤礦綜放工作面初采、末采及頂板富水等危險區(qū)域條件下安全開采技術(shù)措施，對于預(yù)防工作面重大災(zāi)害起重要的指導(dǎo)作用。

深部特厚煤層；頂板富水煤層；綜放開采；導(dǎo)水裂隙帶；安全開采技術(shù)

0 引 言

陜西永隴礦區(qū)崔木煤礦，立井單一水平開拓方式，開采侏羅系中統(tǒng)延安組3#煤層，屬深部厚～特厚煤層，上覆巨厚洛河組含水層、高瓦斯、易自燃煤層。首采面開采期間發(fā)生工作面頂板離層涌水事故，大面積壓死支架、瓦斯集聚、長時間停產(chǎn)，現(xiàn)場生產(chǎn)管理極其困難，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。

綜放開采實踐表明，10 m以上特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)異常強烈，雖然不斷提高支架工作阻力，但高支護強度支架仍存在壓壞及壓死的現(xiàn)象[1]；白堊系洛河組砂礫巖含水層廣泛分布，采動引起的頂板離層積水工作面瞬時涌出，屬于一種新的水害類型[2]，這是中、深部特厚煤層安全開采、保水開采所面臨新的重大技術(shù)難題[3]。利用含水層水位變化與頂板來壓突水的聯(lián)動效應(yīng)，可建立以監(jiān)測孔水位+覆巖破斷距+工作面來壓+支架異常狀態(tài)+圍巖異常+瓦斯釋放速率突增為核心指標(biāo)的離層積水涌突聯(lián)合預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)[4]。

本文以崔木煤礦綜放首采面21301聯(lián)合試生產(chǎn)期間遇到的問題為基礎(chǔ)，對深部特厚頂板富水煤層綜放采高分析與安全開采技術(shù)進行探討。

1 礦井地質(zhì)及開采技術(shù)條件

1.1 礦井地質(zhì)

礦井主采3#煤層，埋深314.42～777.03 m，煤層厚度0.35～34.20 m，平均煤厚16.89 m，傾角為3～6°，煤層底板為東南高西北低的單斜構(gòu)造，屬較穩(wěn)定煤層。煤層偽頂厚度0.22～1.04 m，炭質(zhì)泥巖、泥巖，直接頂砂泥巖呈互層狀，穩(wěn)定性較差的巖體，老頂砂巖一般為中等穩(wěn)定巖層。

1.2 含(隔)水層及其水文地質(zhì)特征

煤層頂板覆巖含水層，從上到下為白堊系下統(tǒng)洛河組和宜君組；侏羅系中統(tǒng)直羅組。洛河組砂礫巖雖然為弱富水、低滲透，但因其厚度大、分布廣、富水性好，與區(qū)域強含水層聯(lián)系，對礦井安全開采較大威脅。主要隔水層為侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層。

1.3 21301工作面開采技術(shù)條件

21301工作面開采煤層為3#煤，推進長度為963 m，傾斜長度為196 m，平均可采厚度為12 m，傾角為1～10°。工作面共布置109組ZF13000/23/42型支架、7組ZF13000/25/42H型過渡支架、1組ZTZ19915/27/40端頭支架、1組ZTC29870/27/40A超前支架，21301工作面支架額定工作阻力為13 000 kN。

2 21301工作面采動災(zāi)害特征及其機理分析

2.1 工作面來壓、涌水基本特征

21301工作面初次來壓步距45～51 m，周期來壓步距13～18 m。21301綜放工作面共發(fā)生12起出水事件，其中出水壓架3起，造成140副支架被壓死，導(dǎo)致停產(chǎn)60 d。21302綜放開采過程中發(fā)生8起出水事件，出水壓架事故高達4起，導(dǎo)致220副支架被壓死，生產(chǎn)停滯90 d[5]。5次大于400 m3/h的突水事故常伴隨冒頂、片幫、支架壓死、瓦斯積聚等現(xiàn)象的發(fā)生，礦壓顯著增大，表明較大的涌突水事故與頂板巖層運動及其礦壓顯現(xiàn)關(guān)系密切。

21301工作面涌水量隨推進距離變化關(guān)系如圖1所示。大的涌突水事故主要發(fā)生在距離切眼200～230 m，300～345 m，420～500 m，570～595 m，這與頂板初次來壓、周期來壓失穩(wěn)密切相關(guān)。覆巖破斷、離層為頂板離層積水涌入工作面提供了通道。

圖1 21301工作面涌水量隨推進距離變化關(guān)系[5]

2.2 工作面來壓壓架、涌水機理分析

工作面頂板主要含水層為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖，厚度約287.77 m，距煤層頂板約166.62～202.48 m，平均180.97 m；主要隔水層為侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖，厚度約80 m，距煤層頂板約60～80 m。上覆巖層結(jié)構(gòu)特征示意圖見圖2。

頂板涌水水源一般是富水區(qū)域、離層積水、裂隙含水層，導(dǎo)水通道一般為采動裂隙、斷層等。防治水害的總體原則是“超前疏放頂板水、直通導(dǎo)流離層水、保障排水能力和排水系統(tǒng)應(yīng)急暢通”[3]。

圖2 上覆巖層結(jié)構(gòu)特征示意圖

工作面回采后，上覆巖層運動空間加大，導(dǎo)水裂隙帶溝有可能溝通洛河組含水層與工作面頂板，頂板裂隙及跨落巖體在離層積水的作用下，巖石崩解軟化、巖層強度降低，導(dǎo)致關(guān)鍵層鉸接結(jié)構(gòu)破斷、滑落、失穩(wěn)，上覆砂礫巖含水層形成積水離層帶，離層積水在覆巖破斷沖擊力和靜水壓力作用下，穿過導(dǎo)水裂隙下涌入工作面，水位出現(xiàn)大幅度快速下降，頂板急劇下沉，支架承受載荷急劇增大，發(fā)生壓架突水事故[6]，同時工作面瓦斯涌出速率可能出現(xiàn)突增，甚至造成煤層自燃隱患。

21301工作面的涌突水水質(zhì)均含有洛河組水的水質(zhì)成分，說明了洛河組底部可能發(fā)育有離層并充水而形成離層水[7]。巨厚層洛河組砂巖層為弱富水含水層，厚度大、富水性好，能對離層裂隙形成充水補給，即3#煤冒裂帶上方洛河組砂巖水為其下離層空間補給了水源。

如圖2所示，采動“三帶”與頂板覆巖含水層、隔水層關(guān)系有三種情況：①隔水層垮落破壞，含水層裂隙水涌入工作面；②導(dǎo)水裂隙帶貫穿隔水層，隔水層受到不同程度破壞，隔水層下部含水層中的水可能全部涌入井下；③導(dǎo)水裂隙帶未波及隔水層下部時，隔水性可能受到微小影響，頂板水不會對開采工作造成影響。對于富水頂板特厚煤層，保水開采安全距離根據(jù)實際情況暫留30 m。

3 崔木煤礦綜放工藝采放高度及其開采上限分析

黃慶享教授研究了煤礦開采隔水層的穩(wěn)定性，提出了限高保水開采方法[8]?？蛇x用分層綜采、綜放開采、分層綜放開采，既要防治離層蓄水涌突，又要控制導(dǎo)水裂隙帶高度。工作面頂板災(zāi)害控制涉及很多方面因素。其中，除了工作面寬度外，采放煤高度及其安全上限控制也是現(xiàn)場生產(chǎn)管理最重要因素之一。

3.1 考慮垮落角、支架尾梁及后刮板寬度等條件下的合理放煤高度

21301工作面割煤高度h按4.0 m、頂煤的垮落角α約60°、綜放支架尾梁及后刮板寬度按2.9 m計算，則工作面的累計采高ΣM按式(1)計算，得ΣM=9.02 m。

α=90°-arctan2.9/(ΣM-h)≈60°

(1)

一般條件下，在煤層頂板為堅硬、中硬、軟弱和極軟弱或互層時，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨菻f可按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》“三下”采煤規(guī)程中經(jīng)驗公式進行估算[9]。

本文依據(jù)崔木煤礦水文地質(zhì)勘探前期研究成果，按《礦區(qū)水文地質(zhì)程地質(zhì)勘探規(guī)范》公式(式(2))計算頂板導(dǎo)水裂隙帶高度。

Hf =100ΣM/(3.3n+3.8)+5.1

(2)

式中：Hf為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；ΣM為累計采厚，m；n為分層數(shù)。

當(dāng)累計采高ΣM為9.02 m時，求得冒落帶高度Hc=4.0ΣM=36.08 m，Hc=36.08 m<60 m；導(dǎo)水裂隙帶高度Hf=100ΣM/(3.3n+3.8)+5.1=132.14，80 m

影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的因素為：采高、巖石強度、巖石硬度系數(shù)、工作面斜長、采深、工作面推進速度等。綜放一次累計采全高ΣM為9.02 m時，導(dǎo)水裂隙帶已溝通破壞安定組泥巖隔水層，接近洛河組強含水層。

3.2 考慮煤體破碎松散系數(shù)、支架放煤口高度等條件下確定的合理放煤高度

設(shè)開采高度為M，其中割煤高度為mg，放煤高度為mf，支架放煤口高度為h＇，則M=mg+mf，采放高度比K= mf/mg。

頂煤冒落充分松散的必要條件，見式(3)。

(3)

將M=mg+mf，mf=Kmg代入式(3)，得式(4)。

(4)

式中：ks為煤的破碎松散系數(shù)。

當(dāng)工作面的采放高度比大于式(4)的計算結(jié)果時，頂煤將不能充分破碎松散，對放頂煤不利?？紤]煤體破碎松散系數(shù)、支架放煤口高度條件的采高上限值，見表1。

根據(jù)掘進順槽實測，崔木煤礦21301工作面頂煤厚度8.0m，在割煤高度4.0m的情況下即采高12 m，可以滿足頂煤松散破碎的要求。

3.3 采高為12 m時，不同工藝條件下的安全開采高度

3.3.1 垮落帶高度

由式(4)知，垮落帶Hc=4.0ΣM=48 m，Hc=48 m<60 m，因此，垮落帶在隔水層侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖層以下，隔水層沒有跨落破壞。

表1 考慮煤體破碎松散系數(shù)、支架放煤口高度條件的采高上限值

3.3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度

1)采用一次采全高放頂煤工藝。導(dǎo)水裂隙帶高度Hf =100ΣM/(3.3n+3.8)+5.1=174.11 m。由于，166.62 m

2)采用分二層放頂煤工藝。Hf =100ΣM/(3.3n+3.8)+5.1=115.38 m。由于，80 m

3)取安全系數(shù)1.2，保水開采保護層厚度30 m，工作面寬度196 m，導(dǎo)水裂隙帶允許高度為136.62 m，按式(5)計算，可得一次全高放頂煤采高安全上限，求得ΣM=9.34 m。

HfMax=100ΣM/(3.3n+3.8)+5.1

=136.62

(5)

當(dāng)ΣM=9.34 m，垮落帶高度Hc=4.0ΣM=37.36 m<60 m，垮落帶在隔水層侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖層以下，隔水層沒有跨落破壞。

3.4 根據(jù)鄰近礦井綜放開采導(dǎo)水裂隙帶經(jīng)驗值確定的合理放煤高度

3.4.1 鄰近礦井導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)采比

導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度是礦山開采防治上覆含水層水害的重要參數(shù)之一，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)論，在一定的地質(zhì)條件下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與采高比是基本一定的。胡家河煤礦開采4號煤層，煤層厚度24 m，分層綜放開采厚度為12 m。煤炭科學(xué)研究總院西安研究院《胡家河煤礦首采區(qū)富水頂板綜放開采覆巖破壞規(guī)律與災(zāi)害控制研究》表明，導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)采比為17～18。大佛寺煤礦301首采面采高為3～3.3 m，放6～6.5 m煤，采放比K=2，合計采高為9～10 m，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院結(jié)果表明導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)采比為16.85。由此可知，彬長礦區(qū)綜放開采導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)采比在13.5～18之間，一般最大不超過20。

3.4.2 崔木煤礦導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)采比

崔木煤礦在21301工作面采空區(qū)內(nèi)施工一個兩帶監(jiān)測鉆孔(G1孔)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，得到導(dǎo)采比為15.7，采高按12 m，則導(dǎo)水裂隙帶188.4 m，已波及到洛河組含水層。

崔木煤礦取安全系數(shù)1.2，保水開采保護層厚度30 m，導(dǎo)水裂隙帶允許高度為136.62 m，導(dǎo)采比為15.7，按式(5)計算，則安全采高ΣM=8.70 m。

呂廣羅等應(yīng)用沖洗液漏失量觀測法及井下窺視法探測了21301工作面導(dǎo)水裂隙帶，兩種方法觀測的導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致，其值為239.12 m，裂高采厚比為19.93[10]，按式(5)計算，則安全采高ΣM=6.85 m。

據(jù)式(1)和式(5)的計算結(jié)果，在工作面長度196 m、工作面試生產(chǎn)條件下，崔木煤礦放頂煤一次采全高安全采高ΣM=min{9.02，8.70，9.34，6.85}=6.85 m。

鑒于監(jiān)測數(shù)據(jù)的局限性，建議在后續(xù)礦井生產(chǎn)管理實踐和專項研究論證條件下繼續(xù)修正調(diào)整開采技術(shù)上限。

4 崔木煤礦涌水壓架事故防治的安全開采方案建議

崔木煤礦21301首采工作面開采期間發(fā)生多了次涌水、大面積來壓、瓦斯積聚等事故災(zāi)害，特別是在工作面末采及頂板巖層富水異常區(qū)等特殊條件下，現(xiàn)場生產(chǎn)管理除了工作面寬度外，采放煤高度及其安全上限控制是最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。根據(jù)以上分析，建議在開采中采取以下技術(shù)措施。

4.1 調(diào)整采高，嚴控開采上限，保護隔水層

結(jié)合21301面頂板涌水特征與現(xiàn)場實踐認為，頂板來壓涌水影響期間，嚴格控制割煤高度3.0 m，逐步增加至3.5 m；根據(jù)頂板穩(wěn)定情況，每隔25 m工作面正常綜放開采，工作面上下端留設(shè)10 m寬不放頂煤。通過留設(shè)頂煤，形成隔離塊段，有效隔離頂板離層積水貫通。

4.2 防范過度放頂，控制采高

為了控制放煤量，防止過度放煤發(fā)生，在放煤段可以采用隔架輪換放煤方式，每臺支架放煤量都要比較均勻?？刂撇筛叱^上限，破壞隔水層，溝通含水層。

4.3 正常條件下，做好涌突水預(yù)測預(yù)報與覆離層積水涌突防治工作

防治礦井水的總體思路一般為“疏、排”措施，即超前疏放頂板水，直通導(dǎo)流離層水，優(yōu)化采掘技術(shù)，確保排水設(shè)備能力和應(yīng)急發(fā)揮作用。

4.4 工作面的現(xiàn)場管理

1)根據(jù)工作面頂板覆巖特性、與白堊系砂礫巖間距、導(dǎo)水裂隙帶高度和限采厚度綜合分析，建議將采高控制在8 m 以下。

2)控制推進速度，減小頂板覆巖離層積水，降低回采期間離層水涌突水幾率。

3)提高工作面支護強度，加強支架初撐力管理，保證支架的工作狀態(tài)及前后柱受力均衡性，保證供液系統(tǒng)完好。

5 結(jié) 論

針對崔木煤礦21301首采工作面開采期間發(fā)生的多次涌水壓架、瓦斯積聚等事故災(zāi)害，調(diào)研掌握了工作面頂板結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件及其采動破壞的關(guān)系，計算了一次采全高、分層綜放割煤高度、放煤高度及導(dǎo)水裂隙帶高度，分析了含(隔)水層與導(dǎo)水裂隙帶的關(guān)系，得到了綜放開采的安全開采上限，提出了崔木煤礦綜放工作面在頂板富水等危險區(qū)域條件下安全開采技術(shù)措施，對于預(yù)防工作面重大災(zāi)害起重要的指導(dǎo)作用。

致謝：感謝陜西彬長煤業(yè)集團趙強教授級高工對本文調(diào)研工作的支持和指導(dǎo)。

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Full-mechanized caving mining height analysis and safety mining technology of supper thinck coal seam with water-rich roof in deep

CHEN Tao1，LIU Wengang2

(1.Yulin Coal Mine Company of Shaanxi Non-ferrous Metals Holding Group Co.，Ltd.，Yulin 719099，China；2.Beijing Tiandi Huatai Mining Management Co.，Ltd.，China Coal Technology and Engineering Group Corp，Beijing 100013，China)

Water inrush，large areas of supports crushing，gas accumulation and other accidents disasters had been taken place 12 times during the excavation of 21301 initial mining face in Cuimu coal mine，Shaanxi province，China.Based on the study of the mining face roof strata structure，geological and hydrological conditions，the induced-pressure of the mining face and water inrush quantities，the full-seam mining height，layered fully-mechanized coal cutting height，top caving height and water-conducting fractured zone height were calculated to analyzed relationship between aquifer and water-conducting fractured zone.In addition，the upper limit of safe mining of full-mechanized caving mining was obtained to put forward the safety mining technology of the Cuimu coal mine at the initial and final fully-mechanized caving mining.This study provides guidance to preventing major disasters of coal face.

deep and thick coal seam；coal seam with water-rich；fully-mechanized mining；water-conducting fractured zone；safety mining technology

2017-01-20

天地科技股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新基金項目資助(編號：KJ-2014-TDHT-01)

陳濤(1961-)，男，學(xué)士，1986年畢業(yè)于桂林冶金地質(zhì)學(xué)院，地質(zhì)找礦勘查專業(yè)，高級工程師，長期從事地質(zhì)礦建管理工作。

TD823

A

1004-4051(2017)05-0107-05