高水压松散含水层下超长工作面突水预测及控制

2017-09-03马雷

采矿与岩层控制工程学报 2017年4期

关键词：风巷突水覆岩

马雷

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；2.安徽煤矿安全监察局，安徽合肥 230601)

高水压松散含水层下超长工作面突水预测及控制

马雷

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；2.安徽煤矿安全监察局，安徽合肥 230601)

祁东煤矿8222工作面为高承压含水层下的超长工作面(最大为235m)，突水威胁大，针对8222工作面复杂的水文地质条件，为防止回采期间发生压架突水事故，研究了松散层含水层富水性特征、基岩风化的工程地质特征、阻隔水性能及开采覆岩破坏规律等内容，采用了顶板超前预裂爆破、长观孔预警、增大工作面支架阻力、合理控制推进速度等技术。研究结果表明，在采取上述综合措施的情况下，高水压松散含水层下超长采煤工作面可实现安全可控回采。

高水压松散含水层；超长工作面；突水预测；控制技术

Prediction and Controlling of Overlength Working Face Water Inrush under High Water Pressure Loose Aquifer

松散层含水层下开采，是指在煤系地层被松散层覆盖其底部的松散含水层直接(或间接)与煤系地层接触条件下的开采。众多学者对松散承压含水层下采煤突水机理和防治进行了研究[1-14]。刘天泉院士等提出了松散承压含水层开采安全煤岩柱设计方法和突水防治原则[7，10]；许延春提出了水体下采煤留设安全煤岩柱的“有效隔水厚度方法”[11]；隋旺华等实验研究了松散层突水溃砂与水力坡度和裂缝宽度的关系[12]；侯忠杰、黄庆享等研究了浅埋煤层厚风积沙薄基岩条件下覆岩整体破断结构稳定及对顶板溃沙溃水的影响[13-14]。

松散承压含水层的荷载传递作用下易导致覆岩关键层结构的整体破断，引发工作面压架突水事故。祁东煤矿8222工作面为高承压含水层下超长工作面，距第四含水层最近距离为74m ，静水压高达3.8～4.6MPa。该工作面为近上限工作面，相似工作面发生多次压架突水事故，该面可采储量约1.5Mt，其下方为922工作面，可采储量1.5Mt，为了尽可能回收煤炭资源，同时又能保证安全生产，根据多年顶板“四含”水防治经验，采用了突水预测及控制技术，辅以高阻力支架等措施，实现了该面的安全回采，可为国内类似条件下的安全回采提供借鉴。

1 研究区概况

祁东煤矿位于宿县矿区，是安徽恒源煤电有限责任公司下属的大型地方国有煤矿，设计产量1.5Mt/a，2002 年5 月22 日正式投产。2004年核定生产能力为2.4Mt，开采二叠系上、下石盒子组煤层。矿区内新生界松散层厚度受古地形控制，厚度为189.25～453.00m，自上而下可划分为4个含水层(组)和3个隔水层(组)，其中一、二、三含水层与“四含”之间存在良好的隔水层而无水力联系，第四含水层直接覆盖在煤系地层之上，含水砂层厚度0～59.1m ，富水性中等，静水压高达3.7MPa。矿井自投产以来，共发生了17次压架突水事故，其中最大突水量达到了1520m3/h，严重影响了矿井的安全生产，同时也造成了重大的经济损失。

祁东煤矿二采区8222工作面是该矿在高承压含水层下采煤少有的大采宽工作面。该工作面位于井田西翼一水平二采区，见图1，为近上限工作面，工作面沿走向布置，分为里、外2个块段，里段宽235m，风巷走向长470m，机巷走向长600m；外段面宽126～144m，风巷走向长550m，机巷走向长486m；煤层平均厚度2.6m，平均倾角11°。四含厚度38～51m，平均45m，水压3.8～4.6MPa；里段其风巷基岩仅74m，机巷基岩厚度约为130m，外段其风巷基岩约为102m，机巷基岩厚度约为130m。8222 工作面机头向上约40m范围上覆7121工作面采空区，7121工作面在回采过程中曾发生过2次严重的压架突水事故。

图1 8222工作面与其他工作面平面位置关系

2 基于覆岩关键层的工作面压架突水危险区域预测

2.1 关键层

覆岩岩性不同对“两带”高度发育影响所产生的结果也不同。正常情况下，工作面回采后顶板7～10倍采高内厚层砂层对顶板破断影响最大，通常称该砂岩层为关键层，根据砂岩硬度及厚度不同进一步划分主、次关键层。松散承压含水层作用下，一定覆岩条件的关键层结构发生整体破断失稳是造成压架突水的根本原因。基岩厚度较薄时，覆岩中控制岩层运动的关键层数目减少，覆岩更容易发生整体破断导致压架突水事故发生。因此，要分析压架突水的危险性，首先需要对覆岩的关键层结构进行判别。

2.2 8222工作面覆岩关键层的判别

8222工作面自切眼开始，分别有采前922，255，补296，采前923，24-257，24-2515等钻孔。随着工作面推进，覆岩关键层层数及主关键层距离开采煤层的间距有逐渐减小的趋势。如切眼附近255钻孔中主关键层距离煤层74.68m，中部补296 钻孔中主关键层距离煤层42m，收作线附近24-257钻孔中主关键层距离煤层37.72m。主关键层距离煤层较近，存在将其载荷更多地向下部岩层传递的可能性。

在82煤顶板普遍存在一层8m左右的厚层砂岩，在自然情况下不易充分垮落，可能会造成采空区悬顶，引起支架工作阻力偏大，来压持续时间偏长，显现剧烈。在81煤的顶板同样存在多层或局部较厚的砂岩，其破断载荷将作用在82煤顶板，并施加在支架上，引起剧烈程度更大的来压显现。在风巷附近，关键层数量减小后，只要煤层顶板出现厚硬岩层，均为主关键层，易造成压架突水事故发生。因风巷附近钻孔较少，根据机巷922及255钻孔柱状，依照由下往上钻孔柱状基本一致的情况，推断风巷附近因倾角作用，顶部靠近含水层的岩层会被侵蚀消失。以采前922钻孔为例，上部32.05m砂岩可能仅剩余约9m，按照这种覆岩结构，判别后认为风巷附近覆岩属于主关键层距离煤层较近的情况(小于10倍煤层采高)，在含水层载荷作用下，易造成顶板发生破断失稳，存在压架突水危险。

2.3 突水危险区域预测

根据判别及分析结果，将8222工作面里段压架突水危险区域进行了划分，见图2。

图2 8222工作面压架突水危险区域

中段因风巷下调，基岩厚度增大，发生压架突水的危险性较低。外段由24-257钻孔揭露的主关键层位置距离煤层仅37m 左右，主关键层运动可能会对采场矿压产生明显影响，而其破断后下沉空间较大也可能引起结构失稳，覆岩裂隙异常发育，导致突水灾害发生，且在7121 工作面开采至24-257钻孔处，靠近风巷位置曾发生过压架突水事故。综合以上分析，预测外段区域均存在压架突水危险。

3 压架突水控制技术

相似条件下该矿发生多次压架突水事故，根据以往开采经验和措施，在该工作面使用了顶板超前预裂爆破、增大工作面支架阻力、地面长观孔预警、合理控制推进速度等综合技术来保证安全回采。

3.1 增大工作面支架阻力

(1)在初撑力不小于27MPa的情况下，支架阻力由初撑力增长至末阻力的时间较短，增阻速度较快，一般在1h 左右可达到额定阻力，多数表现为一次增阻特性，单个循环内支架活柱缩量一般小于20mm。支架增阻较快，能够有效控制顶板初期下沉，是有效防治顶板剧烈来压时造成顶板下沉量过大甚至压架的重要手段。

(2)工作面回采过程中，出现顶板压力持续较大的显现，但是工作面安全阀并未大范围开启或支架活柱明显下缩，体现了完整坚硬顶板条件下高支护质量的控顶效果。支架额定工作阻力大、顶底板坚硬引起支架围岩支护系统整体刚度较大，顶板传递作用力与支架支护效率较高，是引起高压力现象的主要原因。

(3)支架阻力的实测校核结果说明，里段采空区下合理支架阻力为8225.4kN(额定提高至7789kN)，外段采空区下需要8384.5kN，7200kN阻力不足。里段、外段实体区域支架阻力最大应达到约9045kN 和9500kN。爆破区阻力低于实体区，里段、外段约需8879kN和9108kN。

3.2 风巷顶板超前预裂爆破技术

顶板超前预裂爆破技术是一种防治坚硬顶板破断动载灾害的技术，是针对松散承压含水层下具有压架突水危险的顶板结构类型，通过对巷道顶板超前预裂爆破，弱化煤层顶板一定范围内的主关键层，使其强度弱化，减小破断距离，从而改变覆岩的破断特征，使煤层顶板不会随采动发生整体破断，同时减少顶板裂缝带发育高度，避免采动造成的顶板裂隙波及含水层出现导水的可能。

根据8222工作面的开采技术条件，在风巷超前施工顶板预裂爆破孔，15m一组孔，每组4个孔，布置方式见图3。

图3 顶板超前预裂孔剖面

图3为一组钻孔布置剖面图，钻孔以不同角度和深度向顶板内施工，按照需要预裂爆破的层位来设计钻孔的角度和长度，本工作面设计预裂爆破孔终孔在82煤顶板上21m左右，分别施工5°，15°，32°，70°共4个不同角度，深度为74，47，31，21m，各孔封孔长度不小于孔深的1/3，通过爆破要求进行装药和钻孔爆破。

通过对顶板进行预裂爆破，工作面顶板实现了随采随冒，无大面积悬顶且地面长观孔水位变化较平缓。

3.3 地面长观孔预警

根据祁东煤矿以往多个压架突水工作面的开采经验，近承压含水层下开采时，工作面顶板来压与地面长观孔水位变化之间有明显的联动效应，即剧烈来压时，长观孔水位会明显下降，压架突水前，长观孔水位会超前下降，图4为临近7121工作面回采过程中长观孔水位变化曲线。因此提出8222工作面利用地面长观孔水位降速作为压架突水前预警，并及时采取措施。

图4 7121工作面回采过程中长观孔水位变化曲线

受 8222 工作面回采影响较大的长观孔为SQ1、SQ7，其中SQ7长观孔距离工作面风巷较近。长观孔与工作面位置关系见图5。回采过程中，SQ7 长观孔对采动的敏感性大于SQ1，因此主要参考SQ7水位变化。

图5 祁东煤矿四含长观孔分布

经过统计发现，在8222 工作面的采动条件和含水层的赋存特征下，SQ7 长观孔水位的平均变化周期约为18d，对应推进周期约51m。随着顶板深孔预裂爆破的实施，下部坚硬岩层能够及时垮落，使得开采上传空间减小，当推进距离较长时距离含水层较近的关键层的悬露空间才能达到其理论的破断跨距，因此由水位变化反应出的周期性距离增大，时间增长，由最初的14d增大到25d。同时，水位变化与引起工作面来压的关键层之间的联动关系不明显。图6 为工作面回采过程中SQ7 长观孔水位变化曲线。

3.4 合理控制推进度

不同推进速度条件下，顶板初次来压步距不同，推进速度慢时的顶板初次来压步距小于推进速度快时的顶板初次来压步距。不同推进速度条件下，顶板下沉量和顶板岩石垮落碎胀程度不同，推进速度慢时的顶板下沉量小于推进速度快时的顶板下沉量，推进速度慢时的顶板岩石垮落碎胀程度大于推进速度快时的岩石垮落碎胀程度。推进速度过快，将会导致顶板岩石垮落碎胀充分性降低，造成采空区形成的悬露高度和回转空间大，容易造成顶板来压距离和来压时间增长，造成支架承担载荷偏大，不利于压架事故的防范。