特厚煤层综放开采出水压架预警机制及防治体系∗

李正杰王之永王利峰方志林

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.陕西永陇能源开发建设有限责任公司崔木煤矿,陕西省宝鸡市,721000)

特厚煤层综放开采出水压架预警机制及防治体系∗

李正杰1王之永2王利峰2方志林2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.陕西永陇能源开发建设有限责任公司崔木煤矿,陕西省宝鸡市,721000)

为了有效防治综放开采出水压架事故,以崔木煤矿综放工作面的矿压、水文、支架等为研究对象,得到了包括工作面压力上限、长观孔水位降速、支架异常状态、煤壁片帮和煤炮宏观表现、瓦斯释放速率突增等出水压架前兆信息,提出了以4个主要指标、2个辅助指标为核心的出水压架联合预警机制,并构建了基于危险区域划分、出水压架预警机制和具体防治措施的压架综合防治技术体系。实践结果表明,工作面不再发生压架,实现了矿井的安全高效回采。

特厚煤层 综放开采 出水压架 联合预警机制 综合防治体系

1 研究背景

崔木煤矿位于陕西省麟游县境内,开采侏罗系中统延安组3＃煤层,3＃煤层上覆岩层从上向下主要包含洛河组、安定组、直罗组及延安组4组。洛河组为巨厚(主要)含水层,平均层厚达308.5 m,渗透系数为0.012145～0.03354 m/d,富水性较弱。3＃煤层位于延安组中下部,在崔木井田范围内距离洛河组底部164.4～182.6 m,煤层厚度大,平均达到16.89 m,赋存稳定,平均倾角6°。矿井设计生产能力为4 Mt/a,目前该矿正在回采21303综放工作面。21303工作面倾向长度200 m,走向长度850 m,采高3.5 m,顶煤厚度8.5 m,选用ZF15000/21/38型支撑掩护式支架控制顶板,工作面范围内无大的地质构造。

崔木煤矿已采21301综放工作面在整个回采期先后发生出水事件11起,其中出水压架事故3起,共造成140架支架被压死,仅压架事故影响生产高达60 d;21302综放工作面发生出水事件8起,其中出水压架事故达4起,220架支架被压死,影响生产90 d,造成重大的经济损失,并威胁井下作业人员的安全。针对工作面频繁的出水压架,崔木煤矿联合天地科技股份有限公司采矿技术研究所进行科研攻关,从危险区域划分、生产工艺改进、加强工作面管理、现场技术指导等方面制定了一系列防治措施,有效解决了出水压架难题,并基于对矿压、水文、覆岩结构等时空演化关系的研究,认识到了该地质条件下综放开采覆岩结构破坏形式及出水压架机理。

本文以现场实测和前期的研究成果为基础,建立了出水压架预警机制和综合防治技术体系,对崔木煤矿后续工作面生产具有较强的指导作用,也为彬长矿区类似地质条件下综放开采提供实践依据。

2 出水压架前兆信息识别

压架事件发生前,工作面压力、水文条件、支架状态、煤壁片帮程度、煤炮声变化、瓦斯释放程度等方面与正常回采时期具有明显的差异性,通过识别这些压架前兆信息,提前启动预警并采取加强管理和相应的技术改善措施,可大大降低压架事故的发生概率。下面结合工作面实际开采规律确定可判别的前兆信息。

(1)工作面压力或支架工作阻力达到高位预警值。压架的前提是工作面来压,此时支架工作阻力长时处于高位状态。在支架安全阀不发生故障的前提下,压架前其必然开启卸压。因此,以支架安全阀实际开启值作为压架在支架工作阻力方面的判别上限是合理的。

21302工作面支架额定工作阻力10500 k N,多次发生压架事故,表明该支架阻力选择偏低,其安全阀开启值不能真正体现支架应承担的实际载荷。而21303工作面支架(支架额定工作阻力15000 k N)没有发生任何压架,其阻力值满足支护要求,来压时支架安全阀的实际开启值即为来压时覆岩的动静荷载。图1是根据21303工作面不同来压时记录仪编号分别为49＃、55＃、67＃、73＃、85＃支架的矿压数据分析曲线,各支架来压时压力值基本保持在13500 k N上下,因此,合理的支架工作阻力上限预警值设置为13500 k N。

图1 21303工作面来压时支架循环末阻力统计图

(2)长观孔水位降速达到最小临界值。实践证明崔木煤矿综放开采压架与出水密不可分,多数压架事故发生之前工作面先发生出水,而水位快速下降又超前于工作面出水,图2为21303工作面7月11日－28日的来压出水过程,图中竖虚线表示出水开始,竖实线表示出水结束,I、II、III1、III2、IV分别表示不同的出水阶段,小圆圈表示来压开始,由图可知,工作面始终遵循来压—水位下降—出水的规律。根据水位曲线,工作面发生出水期间水位降速明显超过正常时期。因此,通过水位降速可有效判别工作面是否存在出水可能性,从而间接对压架事件起到预警作用。

水位降速统计采用的是水位从高位到低位的差值与所用时间的比值,是单位时间内水位的平均下降速率,已有研究表明工作面出水期间平均降速与瞬间水位降速近似相等。表1统计了21303工作面历次出水事件发生时长观孔水位的下降速率。由表可知,水位下降速度为0.55～1.6 m/h。从安全角度考虑,需取最小水位降速0.55 m/h作为出水压架的预警指标。

(3)支架安全阀大面积开启,活柱下缩达到下限值。由于压架前压力异常大,支架安全阀开启让压仍不能抑制顶板失稳,支架活柱逐渐下缩,拉架存在困难,至采煤机无法通过时认为支架被压死,此时支架剩余活柱量极小,因此,可通过设置一活柱量下限值作为压架发生的警戒线,当顶板来压,支架活柱量接近这一下限值并仍有下缩趋势时,就意味着存在压架的可能。

图2 工作面来压、水位变化与出水关系曲线

表1 21303工作面历次出水水位降速统计表

对比支架和采煤机选型配套参数,允许采煤机通过的最小支架活柱量为300 mm,根据21303工作面来压出水期间支架不同活柱量时行人、采煤机运行、支架操作方便程度等状况,取500 mm作为富余量,则合理的活柱量下限值应设置为800 mm。

个别支架安全阀开启频繁而相邻支架状态正常,则并不能认为是压架发生的前兆,这是工作面支架受力不均衡引起的,随着安全阀开启支架的受压下缩,相邻支架会逐步发挥支撑效能,压力就会得到缓和,支架趋于稳定。而压架是顶板大面积破断失稳的结果,因此,必然会有大范围支架安全阀持续开启。根据21302工作面压架前以及21303工作面大来压时支架安全阀开启情况,当连续超过5台记录仪都达到安全阀开启值时,说明此时工作面压架危险性高。

(4)煤壁片帮严重,煤炮声连片。工作面压架之前始终处于来压状态,使得通过煤壁片帮及煤炮声响预测压架发生成为可能。表2为21303工作面大周期时煤壁片帮程度及煤炮声响情况。由表2可知,历次大周期来压时工作面片帮较小周期更为严重,煤炮声频繁并连成片,此现象可作为出水压架前兆信息的辅助判断标准。

(5)瓦斯释放速率出现突增。经观察研究,工作面瓦斯释放速率与矿压显现呈正相关关系。非来压期间,瓦斯释放较为平稳;工作面来压时,瓦斯涌出量会发生突增,这是由于顶板垮落压缩采动空间,积聚在采空区内瓦斯受挤压排出所致。因此,可依据瓦斯涌出曲线判断工作面是否来压,对防治出水压架起到辅助预警作用。

3 联合预警机制的建立及应用

建立预警机制对工作面出水压架防治至关重要。根据对出水压架前兆信息的分析,可建立以大周期步距＋长观孔水位降速＋工作面压力上限＋支架异常状态＋煤壁片帮、煤炮加剧＋瓦斯释放速率突增为核心指标的联合预警机制,以最大限度地降低出水压架发生的机率。

以崔木煤矿21303工作面开采实践为研究对象,该联合预警机制的核心指标参数为:

(1)大周期步距。大周期步距取150～200 m,大周期后持续50 m。

(2)长观孔水位降速。长观孔水位出现下降,降速大于0.55 m/h。

(3)工作面压力上限。连续5架支架压力记录仪超过13500 k N。

(4)支架异常状态。安全阀大面积、频繁开启,支架活柱量接近下限值0.8 m。

(5)煤壁片帮、煤炮加剧。煤壁片帮加剧、范围大,煤炮声频繁、连成片。

(6)瓦斯涌出速率出现突增。

以前4个指标为主要指标,后2个指标为辅助指标。当同时满足主要指标时,认为工作面出水压架风险极高,矿方必须立即采取相关的压架防治预案,如停止放煤、加快推进,保证初撑力和支架状态,做好抽排水准备等。

通过在21303工作面现场实践,该预警机制符合工作面实际出水、来压规律,对防治出水压架起到良好的预警作用。

4 压架综合防治技术体系及应用

压架综合防治技术体系全面考虑了影响压架的客观因素,如地质因素、开采环境、设备发展程度等,并兼顾灾害预警、工作面管理、辅助防治措施等主观因素。

(1)压架危险区域划分及预案。以初次来压、见方来压、周期来压预测范围以及地质构造为要素提前圈定特殊压力显现、特殊地质条件等具有压架威胁的区域,针对该区域制定限厚开采预案,如不放煤区域、少放快推区域、均衡推进区域等。

制定工作面管理初步预案,包括对泵站及供液管路、支架工况及操作规范、放煤情况、超前及端头支护等进行初步规定,并通过数值模拟等研究验证支架支护强度选取的合理性,要求实时监测工作面来压情况以及支架初撑力合格率,及时进行来压预报。此外,安装长观孔水位监测系统实时监测洛河组水位变化,起到出水预警及研究作用。

(2)出水压架预警机制。做好灾害预警工作,建立完善的出水压架预警机制。

(3)压架防治措施。合理的设备选型及开采参数确定,包括对支架额定阻力、设备能力、采放高度、工作面长度等参数的合理确定,以设备的高可靠性和开采的协调性为指导原则。

提高工作面管理水平,尤其是对支架初撑力、架形、设备的使用与维护、顶板管理等方面,采取精细化管理思路,注重细节管理。

必要的辅助防治措施,如深孔预裂爆破处理坚硬顶板超前卸压、泄水孔预抽排水、高抽巷解决瓦斯超限等。

具体的防治体系构架如图3所示,防治的主线为中间虚线框,两侧为具体措施。

该综合防治技术体系已在21303工作面及21305工作面应用实施,已累计推进1600 m,均没有发生任何压架事故,高地压、富含水层等复杂地质条件都不再形成灾害,工作面回采时支架整体状态良好,日进尺8刀,日产煤15000 t,实现了矿井的首次达产和安全高产高效开采。目前,崔木煤矿仍以此防治体系为安全回采的根本指导思路。

图3 综放开采出水压架综合防治体系构架

5 结论

(1)依据对崔木煤矿出水压架时矿压、水文、覆岩结构等相关规律的研究并结合现场实测,提出以“大周期步距＋长观孔水位降速＋工作面压力＋支架状态＋煤壁、煤炮情况＋瓦斯释放速率”为核心指标的联合预警机制,并在现场进行应用。

(2)从压架危险区域划分、出水压架预警机制、压架综合防治技术措施等主、客观角度建立了压架综合防治技术体系,该技术体系在崔木煤矿应用后解决了压架难题。

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Early warning mechanism and prevention and treatment system of water bursting and supports crushing in fully mechanized caving face with extremely thick coal seam

Li Zhengjie1,Wang Zhiyong2,Wang Lifeng2,Fang Zhilin2
(1.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Cuimu Coal Mine,Shaanxi Yonglong Energy Development and Construction Co.,Ltd.,Baoji,Shaanxi 721000,China)

In order to control water bursting and supports crushing accident effectively in fully mechanized caving face,taking the rock pressures,hydrology conditions,hydraulic supports and so on in fully mechanized caving face of Cuimu Coal Mine as the study objects,some precursor information of water bursting and supports crushing were researched,including upper mining pressure limit,the descent speed of water level in long-time observation hole,abnormal conditions of supports,coal wall caving,macroscopic behavior of rock burst and a burst of gas release rate.Joint early warning mechanism of water bursting and supports crushing was put forward which took four main indicators and two auxiliary indicators as the core,and integrated control technique system with control measures was built based on classification of hazardous areas, early warning mechanism of water bursting and supports crushing.The practice results showed that supports crushing did not happen again in the mining face,and safe and high-efficiency mining was achieved finally.

extremely thick coal seam,fully mechanized caving mining,water bursting and supports crushing,joint early warning mechanism,integrated control system

TD823.97

A

李正杰(1987－),男,河南永城人,硕士,助理研究员,现在天地科技股份有限公司北京采矿技术研究所工作,主要从事矿山压力及岩层控制研究工作。

(责任编辑 张毅玲)

集团公司科技创新基金重点项目(2013ZD002－05)