采煤工作面淋水溃泥垮冒原因分析

甘海龙

（中鼎国际建设集团有限责任公司，江西 南昌 330096）

1 概述

印尼朋古鲁煤矿位于印度尼西亚苏门答腊岛明古鲁省中部县境内，距明古鲁省城45 km。印尼朋古鲁煤矿是由中鼎国际工程有限责任公司与印尼维查雅集团合作开发的煤电项目，现有两井一厂（一井、二井和电厂），两矿井相距4.3 km。

井田内只有一层可采煤层，煤层结构较简单，煤层厚度1.54～8.97m，平均厚度5 m。开采揭露表明，大部分煤层为厚及特厚煤层。煤层有两层0.3～0.6 m夹矸（火山喷发形成的凝灰岩），大部份属缓倾斜煤层，但局部煤层倾角达30°，煤层顶板主要为层理明显的灰白色中粒砂岩、黑色泥岩、粉砂岩、泥质砂岩，其中直接顶为薄～中厚层状黑色泥质粗粉砂岩（含植物化石），上覆岩层中无含水层；底板为海相泥质砂岩（见图1）。井田内地表泾流条件较好，大气降水大部分由地表流入山沟，流出井田；少量通过风化裂隙带及采空区裂隙带渗透至井下，为矿井涌水的主要来源。

图1 朋古鲁煤矿煤田综合地层柱状图

朋古鲁煤矿二井2405工作面煤层底板标高+59 m～+120 m，地表标高+280 m～+340 m。工作面走向长度1160m，倾向长度140m，倾角3°～8°。工作面选用ZH2000/22/32Z(Q)型悬移支架、MG132/320-WD型采煤机和SGZ630/220型刮板输送机。工作面旱季涌水量7 m3/h，雨季涌水量50 m3/h。

2 工作面淋水溃泥垮冒形成过程

朋古鲁煤矿二井2405工作面出现淋水溃泥垮冒位置（见图2），皮带道底板标高+100 m，风巷底板标高+109 m，地表标高+300 m～+310 m，工作面长度140m，倾角约4°。2405工作面累计安装悬移支架140架，支架编号原则为自工作面机头部至机尾部，编号从1号～140号。

图2 2405工作面淋水溃泥垮冒位置

淋水溃泥垮冒形成的过程可分为三个阶段。第一阶段为淋水阶段；第二阶段为来压垮冒阶段；第三阶段为淋水溃泥垮冒阶段。

淋水阶段：2405工作面自切眼起，风巷累计推进了70.4m，皮带道累计推进了77.6 m开始出现淋水。淋水位置为65号悬移支架前后约2架位置，即工作面中部63～67 m范围。随着工作向前推进，淋水位置向工作面机头位置下移。在出现淋水溃泥垮冒前，工作面淋水位置在12～15 m范围。

来压垮冒阶段：煤层底板（泥质砂岩）在水浸下逐渐软化，支架支柱下插，造成顶板的支护强度不足、顶板下沉量增大、工作面高度不足，支架支柱被压死。在此过程中，上覆岩层先后出现离层、垮冒、破碎，来压垮冒射碴堵塞工作面断面。工作面机头位置的1～2号架受顶板来压影响，支架伸缩板部分扑在630型刮板输送机机头上，采煤机及大块矸石无法通过刮板输送机机头；3～5号板因顶板垮冒导致工作面行人通道仅能容一人爬行（见图3）。

图3 工作面机垮冒位置

淋水溃泥垮冒阶段：工作面机头位置垮冒后，采煤机滚筒无法行驶至机头位置，且输送机被煤矸石压死。为了将机头位置支架撑起来，从2105皮带道沿工作面煤壁开切口，切口采用单体柱、悬臂梁及圆木平铺的方式进行支护，采用风镐进行落煤。铺完前4根圆木时，切口无淋水，支护未变形；铺完第5根圆木时，开始出现滴水现象；铺完第6根圆木时，齐头有水流出，水量逐渐变大；铺第7根原木时，顶板有来压断裂声响，圆木向工作面方向倾斜、并出现圆木被折断爆裂现象。顶板泥质砂岩在淋水作用下软化膨胀成泥状，沿圆木间缝隙、圆木与悬移支架的间缝隙挤入切口内，30 min内将约长2m、2m宽、1.8m高的切口充填满（见图4）。

图4 切口淋水溃泥充填

图5 新开切口

图6 顶板形成的泥石流溃入皮带道

切口被充填后，无法再进行作业。选择在原开切口的左帮另开新切口（见图5）。在新切口铺完第2根圆木时，工作面再次来压并伴随岩层断裂响声，顶板泥质砂岩在水作用下，呈泥石流状溃入至2105皮带道，皮带道全断面堵塞8m（见图6）。

3 淋水溃泥垮冒原因分析

3.1 淋水形成的原因

工作面自切眼位置 向前推进，基本是在初次来压之后，顶板会出现周期性破断、垮落。上覆岩层在地应力和构造应力的作用下，随着顶板的破断、垮落，出现移动、变形、破坏和垮落沉降，从而在上覆岩层中形成三带（见图7）。

图7 上覆岩层移动、变形和破坏分带

朋古鲁煤矿二井2405工作面上覆岩层为海相泥质砂岩，强度较低、胶结性较弱。在沉降拉伸应力作用下，岩层出现断裂和裂隙，随着裂隙延展连通基岩风化裂隙带而导通地表。井田地表为山区地貌，沟壑溪沟发育，为地表主要排水通道。上覆岩层“三带”的形成为地表水渗透至井下创造了条件。

工作面推进长度小于工作面长度，基本顶出现周期破断后，沿工作面方向形成两端刚性固定的梁结构，其力学模型（见图8）。

图8 沿工作面方向连续均布载荷力学模型

由力学模型可知，沿工作面方向上覆岩层在应力作用下，中部先出现下沉、拉裂，然后出现破断、垮落。因此，裂隙水自地表渗透至工作面，中部会最先出现淋水现象。随着工作面向前推进，基本顶沿工作面倾斜方向也会逐渐出现破断，从而导致裂隙水逐步向工作面机头方向移动。工作面因受淋水影响，底板变软，工作面推进速度缓慢，更有助于基本顶沿机头位置方向破断，从而引起淋水段逐步下移。

3.2 来压垮冒形成原因

工作面在推进过程中，上覆岩层出现周期性来压，垮冒形成砌体梁结构，基本顶同转对直接顶稳定性影响。在支架上前方形成塑性区，在基岩下方形成拉断区（见图9）。由于朋古鲁煤矿二井2405工作面底板砂岩遇水膨胀变软，悬移支架支柱下插，支护强度不足，在上覆岩层重力作用下，顶板从塑性区和拉断区处断裂破坏，致使煤层顶板出现破碎、垮冒、射碴。

图9 基本顶同转对直接顶稳定性影响

3.3 溃泥垮冒形成原因

上覆岩层形成的砌体梁结构，因工作面出现了垮冒，下部失去支撑点，加之裂缝水的双重作用而出现失稳。砌体梁结构失稳前期表现为摩擦支撑点逐渐下滑，工作面逐渐来压；失稳后期完全失去摩擦支撑点，表现为上覆岩层大面积来压垮冒。裂缝水一方面加速了砌体梁结构失稳；另一方面又软化了泥质砂岩，将泥质砂岩变成了泥浆，最终形成溃泥垮冒。故在朋古鲁煤矿2405工作面机头位置开切口铺圆木时，先是出现了泥沙挤入切口；继而是突发性的大面积来压垮冒，导致2105皮带道全面积堵塞。

3.4 其它原因

（1）2405工作面淋水未得到有效处理，底板出现大面积变软，悬移支架支柱出现下插，导致支架的支撑力不足。

（2）悬移支架支柱下插导致工作面移架困难，工作面的推进速度较慢，为上覆岩层垮冒和砌体梁结构失稳创造了条件。

（3）现场管理不善。工作面出现淋水后，未采取有效措施进行排水，也未根据现场实际情况进行留底煤，减少底板的破坏。

4 工作面恢复措施

1）2105皮带道被堵塞后，及时切断了中上山以内所有电气设备的电源。

2）在工作面中上山外安装局部通风机，对2105皮带道恢复局部通风，并开启中上山风门。

3）对2105皮带道进行积水疏排，淤泥清理和巷道修理加固，逐步恢复2405工作面通风、供电和排水系统。

4）工作面疏通之后，因2405工作面机头位置仍然存在垮冒风险，将2105皮带道自工作面煤墙位置退出22 m开门，施工补切和补顺，并贯通工作面机头上部15m位置，将工作面头上15m的淋水垮冒段甩掉。

5 结语

朋古鲁煤矿2405工作面机头位置淋水溃泥垮冒致使2105皮带道全断面堵塞，工作面无法进行有效通风，严重威胁矿井的安全。2405工作面出现淋水溃泥垮冒与顶底板岩性、上覆岩层结构失稳和裂缝水有必然的联系，也是发生垮冒事故的客观原因。但是，现场管理不善，淋水未有效处理，才是导致工作面恶性循环最直接、最主要的原因。