祁東礦6163工作面松散承壓含水層下安全回采研究?

于佳佳 程玉印 王曉振 董軍業

(中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221008)

祁東礦6163工作面松散承壓含水層下安全回采研究?

于佳佳 程玉印 王曉振 董軍業

(中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221008)

受松散承壓含水層影響,祁東煤礦曾多次發生工作面壓架突水事故,而具有類似含水層賦存特征的6163工作面在里段開采過程中實現了安全回采,通過現場實測和理論分析,從基巖厚度、覆巖關鍵層結構特征和頂板破斷形態等方面與同煤層且發生過壓架突水事故的6130工作面進行了對比研究,結果表明:6163工作面里段基巖厚度大,主關鍵層與煤層間距大是其未發生壓架突水事故的主要原因;初采期工作面的調斜開采使頂板巖層能夠產生區域性破斷、來壓,一定程度上降低了來壓強度,也是實現安全開采的有利因素。

松散承壓含水層 綜采工作面 壓架突水 覆巖結構 關鍵層

祁東煤礦受松散承壓含水層的影響自投產以來曾在多個工作面發生過壓架突水事故,造成了重大的經濟損失,首采區首采面尤為突出。許多學者對其壓架突水機理進行過研究,其中許家林教授深入分析了松散承壓含水層下采煤發生壓架突水事故的原因,并提出有效的防治方法;王曉振等通過模擬手段研究了不同組合特征的覆巖結構對松散承壓含水層下采煤壓架突水的影響。

祁東6163工作面作為南部采區首采工作面,頂部松散含水層厚度平均達50 m,含水豐富,水壓高達4～4.5 MPa,對工作面回采威脅很大。然而在里段開采的過程中并未發生類似其他工作面的壓架突水事故。本文結合祁東煤礦6163工作面的開采條件,分析其里段實現安全回采的原因,為南部采區后續工作面順利開采提供參考和借鑒。

1 6163工作面里段基本條件

祁東煤礦南部采區位于祁東井田南翼,6163工作面為南部采區首采面,面長約250 m,里段走向長約198 m,起止標高－561～－632 m。平均煤厚1.9 m,傾角平均為17°,直接頂為10 m的厚泥巖,巖性較為穩定。里段機巷基巖厚度207.2～227 m,風巷基巖厚度155.1～159.6 m,機巷、風巷呈負偽斜布置,風巷超前機巷約45 m,在初采階段工作面中下部需要甩采,甩采45～50 m后開始正常平推。工作面上方第四系松散含水層(簡稱四含)厚度大,水量豐富。圖1為6163工作面里段平面圖。

圖1 6163工作面里段情況

2 工作面開采期間礦壓實測

根據實測,6163工作面下部老頂2014年3月31日初次來壓,中部老頂4月3日初次來壓,上部老頂4月7日初次來壓。工作面過長及機頭大距離甩采導致壓力顯現主要集中在中下部區域,隨機頭甩采距離加大,中下部頂板首先破斷,并逐漸向中上部發展,最終老頂初次來壓呈現分區域破斷。工作面周期來壓步距平均約21.9 m,來壓時支架阻力平均6996 k N,非來壓時支架阻力平均5478 k N,來壓動載系數1.28,由實際觀測得知老頂在周期來壓時沿傾斜方向也表現出分區域破斷,來壓期間支架工作阻力并不大,與以往祁東煤礦礦壓顯現相比相對緩和。

3 6163工作面里段實現安全回采原因分析

通過對比祁東礦已發生壓架突水的6130工作面來分析6163工作面在高水壓松散含水層下實現安全回采的原因。

3.1 含水層賦存條件

6130工作面上方四含主要由砂、黏土質砂、礫石等組成,富水性較強,滲透性好,四含水壓力2.8～3.4 MPa,部分區域含水較豐富。

6163工作面里段上方存在厚度平均達50 m的第四含水層組,四含巖性復雜,主要由礫石、砂礫、砂質黏土、中細砂及黏土等組成,富水性極強,水壓高達4～4.5 MPa,高于6130工作面,因此危險性更大,滿足發生壓架突水事故的松散承壓含水層賦存條件。

3.2 覆巖結構條件

松散承壓含水層下采煤時,基巖厚度是決定覆巖是否發生整體破斷的重要因素。

表1 6130和6163工作面關鍵層位置判別情況

表1為6130和6163工作面覆巖柱狀及關鍵層判別情況對比。6130工作面上方松散層厚度370 m,煤厚平均1.7 m,本鉆孔揭露基巖厚度為57 m。工作面上方共有3層硬巖層,其中第一層為距離61煤層25.4 m的主關鍵層,控制上覆至地表整個巖層的移動。第三層距離61煤層10.7 m的硬巖層為亞關鍵層,控制主關鍵層以下巖層的移動狀態。松散承壓含水層具有均勻傳遞上覆載荷的作用,開挖過程中基巖頂界面上的載荷基本保持恒定,因此上覆巖層及松散層的重量全部加載到7.5 m厚的主關鍵層上,導致了關鍵層復合破斷,同時溝通四含水,工作面出現壓架突水事故。

6163工作面上方松散層厚度為422 m,254號鉆孔揭露的基巖厚度為227 m,由表1知,工作面上方有3層硬巖層,第一層距離61煤層工作面56.9 m為主關鍵層,位于煤層10倍采高以外,該主關鍵層距離其下方硬巖層的亞關鍵層26.6 m,而亞關鍵層距離61煤層22.33 m。

基巖厚度增加會使厚硬巖層層數增加,以及厚硬巖層間距變大,硬巖層的懸露跨距差值隨之增大,硬巖層間懸露跨距差值的大小對于覆巖的破斷形式有重要影響,差值較小時易發生關鍵層復合破斷。圖2為6130工作面和6163工作面硬巖層結構示意圖,開采尺寸均為L、巖層破斷角θ均為80°。

圖2 6130和6163工作面硬巖層結構示意圖

由圖2可知,兩工作面硬巖層懸露跨距的差值計算式為:

式中:ΔL1、ΔL2——兩工作面硬巖層懸露跨距的差值的一半;

L1、L3——主關鍵層懸露距離;

L2、L4——亞關鍵層懸露距離;

θ——巖層破斷角;

L——開采尺寸;

H1、H2、H3、H4——關鍵層距煤層距離。

將兩個工作面的參數代入式(1)和式(2),得到6130工作面硬巖層懸露跨距的差值3.3 m; 6163工作面里段硬巖層懸露跨距的差值7.7 m。

對比得知,兩工作面硬巖層懸露跨距的差值ΔL2大于ΔL1,說明在相同開采尺寸時,6130工作面硬巖層距煤層較近,主關鍵層懸露跨距L1較大,且硬巖層間距離較近,在高承壓水作用下易發生因關鍵層復合破斷引起的壓架突水事故;ΔL2較大表明6163工作面硬巖層距煤層相對較遠,硬巖層間距相對較遠,其主關鍵層懸露距離L3較小。同時在高承壓水載荷的作用下,6163工作面覆巖結構使得巖層在破斷的過程中能夠逐層破斷,不容易發生整體破斷。

3.3 工作面頂板破斷形式

6130和6163工作面切眼處頂板周圍支撐結構示意圖見圖3。6130工作面面寬為126 m,工作面在回采過程中是正常平推,工作面來壓時頂板整體破斷,來壓強度大,見圖3(a)。

圖3 6130和6163工作面切眼處頂板周圍支撐結構示意圖

6163為面寬250 m的長工作面,作為采區的首采面,煤層頂板屬于四周均固支的結構,見圖3(b),工作面里段初采階段機頭的大幅度調斜開采導致頂板初次破斷前呈現“梯形板”,且隨著機頭甩采距離的加大,工作面中下部老頂首先出現損傷裂縫,并逐步向中部發展,使老頂由工作面下部到上部逐一破斷,并沿工作面傾斜方向上形成鉸接結構,相互之間的咬合作用力避免了老頂整體破斷,同時一定程度上降低了工作面的來壓強度。工作面初次來壓由下到上呈現分區域性,降低老頂因整體破斷發生失穩的可能。

3.4 支架的合理選型

支架阻力的提高也是實現安全回采的原因之一。松散承壓含水層下采煤,關鍵層有復合破斷可能時應選取合理的支架型號,當關鍵層出現失穩,上覆巖層重量將全部加載到支架上,若支架工作阻力不足,很可能導致壓架突水事故。6130工作面共有83架ZY4000/09/21型掩護支架,經計算發生壓架突水事故時所需支架阻力應為6090～9135 k N,所用支架型號不能滿足實際工作阻力;根據鉆孔結構,基于垮落帶法的支架阻力計算得6163工作面里段的最大阻力7221 k N,現場實測支架來壓最大阻力為7226 k N,大部分支架來壓時工作阻力均小于7200 k N。據此,6163工作面共布置130架ZY7200/12/24型掩護支架,6架ZYG7200/13/ 28型掩護端頭支架,該型號支架能有效支撐頂板,并有助于里段實現安全回采。

4 結論

(1)對比發現,在松散承壓含水層條件下6163工作面里段的基巖厚度大、硬巖層間距大、主關鍵層距離開采煤層較遠等覆巖結構特征是其未發生壓架突水事故的主要原因。

(2)長工作面調斜開采使頂板巖層分區域破斷有效避免了老頂整體來壓,同時降低來壓強度,使工作面里段得以安全開采。

(3)6163工作面選擇的支架合理,能有效支撐頂板。

[1] 許家林,陳稼軒,蔣坤.松散承壓含水層的載荷傳遞作用對關鍵層復合破斷的影響[J].巖石力學與工程學報,2007(4)

[2] 童世杰.任樓煤礦7240(上)南工作面突水潰砂原因及防范對策[J].中國煤炭,2014(8)

[3] 王曉振,許家林,朱衛兵等.松散承壓含水層特征對其載荷傳遞特性的影響研究[J].采礦與安全工程學報,2014(4)

[4] 林青.祁東煤礦7130綜采面壓架突水原因分析[J].中國煤炭,2012(12)

[5] 郭莊.祁東礦7121工作面壓架突水原因及災害防治[J].中國煤炭,2015(2)

[6] 楊本水,楊永林,趙傳宏.祁東煤礦突水災害的綜合分析與快速治理技術[J].煤炭科學技術,2004(3)

[7] 許家林,王曉振,朱衛兵.松散承壓含水層下采煤突水機理與防治研究[M].徐州:中國礦業大學出版社,2012

[8] 婁金福,許家林,莊德林等.松散承壓含水層載荷傳遞機制的實驗研究[J].采礦與安全工程學報, 2007(1)

[9] 王曉振,許家林,朱衛兵等.覆巖結構對松散承壓含水層下采煤壓架突水的影響研究[J].采礦與安全工程學報,2014(6)

[10] 陳秀友,王慶雄,高峰等.祁東煤礦6130工作面壓架原因分析及對策[J].煤炭科學技術,2010(6)

Study on safe mining under unconsolidated confined aquifer in No.6163 working face in Qidong Coal Mine

Yu Jiajia,Cheng Yuyin,Wang Xiaozhen,Dong Junye
(School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Affected by the unconsolidated confined aquifer,supports break-off and water inrush accidents had ever happened repeatedly in Qidong Coal Mine while the inside section of No. 6163 working face with the similar occurrence characteristics of aquifer occurrence had accomplished the safe mining.The comparative study compared with No.6130 working face where supports break-off and water inrush accidents had ever happened was conducted from several respects like the bedrock thickness,the structure features of key strata and the fracture form of roof,the results showed that the bedrock thickness of inside section of No.6163 working face was big,the primary reason of safe mining was that the space between mine key strata and coal seams was bigger.The adjusted inclination mining during primary mining face forced the roof to fracture and weight regionally,which reduced the intensity of roof weighting and became a favorable factor for safe mining.

unconsolidated confined aquifer,longwall coal face,support break-off and water inrush,overlying strata structure,key strata

TD823

A

于佳佳(1988－),男,安徽阜陽人,碩士研究生,研究方向為巖層移動與綠色開采。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金項目(51404246),江蘇省自然科學基金項目(BK20140205)