綜放工作面上覆巨厚砂礫含水層的活動(dòng)規(guī)律與控制關(guān)鍵技術(shù)研究

劉生優(yōu)

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)100011）

神華伊敏河?xùn)|礦區(qū)主采煤層厚度15 m 以上，頂板巖層為煤、泥巖、粉砂巖、砂巖、含礫砂巖。巖層巨厚、富水性強(qiáng)、膠結(jié)松散、抗壓強(qiáng)度低、直接頂?shù)母羲畬颖』驘o隔水層，綜合機(jī)械化放頂煤開采過程中存在突水、潰沙、潰泥威脅，傳統(tǒng)水下開采的安全煤柱留設(shè)理論不能解決放頂煤的安全問題，因此研究綜放開采過程中上覆巖層活動(dòng)規(guī)律、防治突水潰沙技術(shù)和圍巖控制理論，以解決巨厚、松散、強(qiáng)含水層無保護(hù)煤柱開采的關(guān)鍵技術(shù)難題。

1 開采煤層賦存條件

礦井主采煤層為16-3煤層，該煤層部分分叉為16-3上和16-3，且16-3上普遍厚度為15.5m，16-3普遍厚度為25 m，煤層的普氏硬度系數(shù)為2～3。

1.1 頂板巖性與水文地質(zhì)特征

煤層頂板距離地表343m，地表向下厚89.5m依次為0.5m 厚表土、38m 厚細(xì)沙、30m 厚砂礫巖和21m 厚泥巖砂巖互層，這些對放頂煤開采沒有安全影響。

把煤層上覆211m 作為研究對象，從16-3上煤層頂板向上，自下而上劃分為3個(gè)隔水層和3個(gè)含水層，巨厚松散覆巖含水層結(jié)構(gòu)柱狀圖見圖1。

第三隔水層直接上覆煤層之上，一般只有5m厚，為泥巖、砂質(zhì)泥巖互層。第三含水層普遍厚度為61m，砂質(zhì)礫巖、粉砂巖、細(xì)砂巖互層，以砂質(zhì)礫巖為主，砂質(zhì)礫巖松散，分選性差，凝灰質(zhì)膠結(jié)或泥質(zhì)膠結(jié)；砂巖為塊狀，較致密，但厚度不大；該含水層為開采煤層的直接充水含水層，富水性強(qiáng)，單位涌水量為0.562～2.296l／s·m，滲透系數(shù)0.188～2.972m／d。

圖1 巨厚松散覆巖含水層結(jié)構(gòu)柱狀圖

第二隔水層厚為16 m，泥巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤層互層。第二含水層普遍厚度為72 m，全為砂質(zhì)礫巖，礫成分由酸性火山巖屑組成，凝灰質(zhì)膠結(jié)、松散、分選差，礫石大小不一；該含水層為開采煤層的間接充水含水層，富水性強(qiáng)，單位涌水量為2.152l／s·m，滲透系數(shù)1.47～2.972m／d。

第一隔水層厚11 m，泥巖、砂質(zhì)泥巖及薄煤層互層。第一含水層普遍厚度為46 m，砂質(zhì)角礫巖為主，其他為砂質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)膠結(jié)或泥質(zhì)膠結(jié)。該含水層富水性強(qiáng)， 單位涌水量為1.847l／s·m，滲透系數(shù)3.72m／d。

1.2 上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)

對16-3上煤層放頂煤開采而言，煤層頂煤及之上的100m 范圍覆巖的巖石結(jié)構(gòu)和巖石物理力學(xué)性質(zhì)是研究頂煤及覆巖破壞規(guī)律和突水潰沙的關(guān)鍵參數(shù)。鉆孔巖芯統(tǒng)計(jì)表明上覆100 m 范圍內(nèi)砂巖及砂礫巖平均占75%，泥巖占25%，也就是覆巖的組成是含水砂礫巖、砂巖。對頂板巖層進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，覆巖的單向抗壓強(qiáng)度只有粗砂巖超過10 MPa，其他巖性巖石均低于10 MPa，覆巖的巖石強(qiáng)度低、巖性軟，屬軟弱巖層。

表1 上覆巖層物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

2 覆巖破壞高度與防治突水潰沙技術(shù)路線

2.1 覆巖破壞高度研究

采用綜采放頂煤工藝將煤厚15m 的煤層一次采出，覆巖破壞高度及覆巖破壞規(guī)律與分層開采不同。在《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》中，沒有給出綜放覆巖破壞高度計(jì)算公式。近年國內(nèi)多個(gè)礦區(qū)放頂煤導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)測結(jié)果，見表2。

表2 部分礦區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶實(shí)測高度與二次方程預(yù)測高度對比

運(yùn)用回歸方法發(fā)現(xiàn)綜放軟弱覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式：

式中：y——導(dǎo)水裂隙帶高度，m；

x——放頂煤厚度，m。

綜采放頂煤采厚與覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度回歸曲線如圖2所示。利用式 （1）計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，見表2。但當(dāng)放頂煤厚度大于17.4m，裂隙帶高度開始下降與實(shí)際不符，即17.4m 是拐點(diǎn)，根據(jù)這一新發(fā)現(xiàn)，敏東一礦16-3上煤厚15.5m，取x=15m，預(yù)測裂隙帶高度y=135.47 m，而采用類比法按裂高比8.3～11.7計(jì)算，裂隙帶高度為124.5～175.5 m，所以開采受第三含水層直接威脅，按傳統(tǒng)的的安全煤柱留設(shè)的思路，即無法實(shí)現(xiàn)放頂煤安全開采，因此必須研究防治突水潰沙技術(shù)路線，攻克巨厚、松散砂礫巖含水層下放頂煤的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全高效開采。

2.2 防治突水潰沙技術(shù)路線

傳統(tǒng)水下開采的安全煤柱留設(shè)理論不能解決巨厚松散砂礫含水層放頂煤的安全問題。根據(jù)綜放開采過程中上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和突水潰沙機(jī)理，把“提前疏放靜儲量水，保證開采過程中只有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水，把防突水潰沙變成防潰泥潰石，研究防潰泥潰石的圍巖控制技術(shù)”作為攻克巨厚、松散、強(qiáng)含水層無保護(hù)煤柱開采的關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)。

圖2 綜采放頂煤采厚與覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度回歸曲線

3 頂板突水機(jī)理與超前疏放水

3.1 頂板的儲水結(jié)構(gòu)與突水機(jī)理

直接威脅煤層的是第三含水層水，該含水層儲水結(jié)構(gòu)是兩部分：一部分是靜儲量水，另一部分是地下水的補(bǔ)給徑流排泄循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)儲量水。在實(shí)施放頂煤開采的初次放頂期間，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)的頂煤及頂板形成懸臂梁，在重力作用下，頂煤破斷，冒落帶及裂隙帶導(dǎo)通含水層，大量孔隙水迅速?zèng)_向工作面，形成突水，水量在1000m3／h以上，工作面排水系統(tǒng)不完善，必然造成淹工作面和群死群傷的安全災(zāi)害。

3.2 超前疏放水工程

敏東一礦首采綜放工作面布置在地下水主要徑流帶。因水文地質(zhì)條件不清，沒有采取防治水措施，工作面平均推進(jìn)18m 時(shí)，涌水量從60 m3／h增大到140 m3／h，工作面停止生產(chǎn)，實(shí)施探放水工程，在工作面下運(yùn)輸巷及放水巷施工防水孔，孔深50～80m，使第三含水層的孔隙水得到有效疏放，這期間放水量超過500 m3／h，工作面保安推進(jìn)時(shí)涌水量達(dá)到256m3／h，總涌水量近800m3／h，于2012年4月12日停產(chǎn)疏放水。

巨厚砂礫含水層的儲水結(jié)構(gòu)決定放頂煤工作面開采前實(shí)施疏水工作，解決靜儲量水是安全開采的第一技術(shù)措施，完善的排水系統(tǒng)則是安全開采保障技術(shù)措施。近一年的疏水后，經(jīng)研判含水層的主要水源為動(dòng)儲量水，此時(shí)疏水量穩(wěn)定在650 m3／h，工作面采空區(qū)涌水量穩(wěn)定250m3／h左右，礦井及工作面形成了永久排水系統(tǒng)，排水能力為正常涌水量5倍以上。因鉆孔的大量疏水，分散了采空區(qū)集中突水，初次放頂不會(huì)造成采空區(qū)頂板大量突水，因此水害可控。2013年3月19日，放頂煤工作面恢復(fù)了生產(chǎn)，之后的生產(chǎn)過程中，鉆孔疏水量減少穩(wěn)定在280m3／h，采空區(qū)涌水量穩(wěn)定在520m3／h，整個(gè)工作面涌水量穩(wěn)定在900m3／h左右，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

4 突泥潰石的機(jī)理與圍巖控制

4.1 突泥潰石機(jī)理研究

超前疏放水后綜放工作面的頂板水處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，靜儲量水被疏放，動(dòng)儲量水在采空區(qū)形成大漏斗從采空區(qū)流出。此時(shí)厚度為61m 第三含水層已不再富水。在放頂煤開采過程中，隨著工作面推進(jìn)，頂煤率先破斷被放出。當(dāng)工作面放煤不均、液壓支架無工作阻力、頂板形成懸臂梁，在重力作用下，大量砂質(zhì)礫巖松散泥質(zhì)體迅速?zèng)_向支架，支架立柱不受壓，反而受拉折斷，這時(shí)突泥潰石事故發(fā)生，大量泥石充滿了綜放工作面，從而形成了突泥潰石事故。

4.2 圍巖控制技術(shù)

突泥潰石事故發(fā)生有3個(gè)因素：第一有巨厚松散砂礫泥石層存在；第二松散砂礫泥石層是采煤工作面的冒落帶；第三圍巖控制不當(dāng)，不能實(shí)現(xiàn)煤泥分流，工作面先漏冒推垮支架。這3個(gè)因素中，前兩個(gè)因素是不可改變的，因此研究綜放工作面上覆巨厚松散砂礫泥石層的圍巖控制技術(shù)，核心是綜采支架工作阻力管理。

首采工作面中部使用的是ZF9000／17／32型四柱式放頂煤液壓支架，共安裝124 架，工作面排頭、排尾安裝ZFG10000-19／32H 型過渡支架7架，前端頭使用ZTF20000-19／32 型端頭支架，后端頭采用液壓單體支柱配合π鋼架棚架設(shè)傾向棚支護(hù)頂板。回采初期泵站壓力為31.5 MPa，安全閥開啟壓力值設(shè)置為36.56MPa，由于設(shè)置值低開啟頻發(fā)，使支架初撐力和工作阻力低，平均值只有18MPa，2013年6月14日，發(fā)生了一起突泥潰石事故。

事故后，調(diào)整了礦壓記錄儀器，對支架壓力實(shí)施在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，結(jié)合工作面礦壓顯現(xiàn)特征，并參照相關(guān)礦壓理論，將安全閥開啟壓力值調(diào)整為41 MPa。由于加強(qiáng)了工作面支架的管理，提高了初撐力的合格率，使支架始終處于良好的工作狀態(tài)，經(jīng)過調(diào)整后至回采工作結(jié)束后未發(fā)生壓死架現(xiàn)象，支架工作阻力杜絕小于25 MPa，實(shí)現(xiàn)安全高效開采。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用回歸方法發(fā)現(xiàn)綜放軟弱覆巖裂隙帶高度計(jì)算公式：y=-0.6507x2+21.102x-34.647，當(dāng)采厚為2.5～17.4m，導(dǎo)水裂隙帶高度與實(shí)測結(jié)果基本一致，采放厚度為17.4m 是一拐點(diǎn)，采厚大于17.4m 或小于2.5m 時(shí)，裂隙帶高度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符，所以實(shí)際采厚要處于2.5～17.4 m 之間。這一重大發(fā)現(xiàn)揭示了綜采放頂煤覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的基本規(guī)律。研究綜采放頂煤上覆巖層流體活動(dòng)規(guī)律，對控制頂板水、火及瓦斯災(zāi)害具有十分重要意義。

（2）安全煤柱留設(shè)理論不能解決巨厚、松散、強(qiáng)含水層下放頂煤的安全問題，因此 “提前疏放靜儲量水，把防突水潰沙變成防潰泥潰石，研究防潰泥潰石的圍巖控制技術(shù)”，是解決巨厚、松散、強(qiáng)含水層無保護(hù)煤柱開采的新途徑。

（3）超前疏放靜儲量水，保證開采過程中只有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水，把防突水潰沙變成防潰泥潰石，實(shí)現(xiàn)開采過程中無突水危險(xiǎn)。

（4）根據(jù)綜放開采過程中上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和潰泥潰石機(jī)理，使泥砂與頂煤分流是防治潰泥潰石的前提。

（5）研究綜放工作面上覆巨厚松散砂礫泥石層的圍巖控制技術(shù)是關(guān)鍵，核心是綜采支架工作阻力管理。

（6）工程實(shí)踐解決了巨厚、松散、強(qiáng)含水層無保護(hù)煤柱開采的關(guān)鍵技術(shù)難題。

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［4］ 劉寶珠，馬亞杰.特厚煤層放頂煤開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究 ［J］.中國煤炭，2012 （4）