薄基巖區頂板高水壓工作面安全開采技術應用研究

段志鴻

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司地質處 ，山西 方山 033100）

1 工程概況

霍州煤電集團店坪煤礦位于山西省呂梁地區方山縣西南約30km處大武鎮水源村—楊家塔村—木瓜里村一帶，該礦現階段主要進行5#、9#煤層的開采，5#煤層厚度在2.6～3.0m之間，工作面范圍內煤層較穩定，含有兩到三層夾矸，夾矸多為砂質泥巖，厚度在0.2～0.35m之間，為井田內穩定可采煤層。煤層傾角為6～8°，屬于緩傾斜煤層。煤層頂板為砂巖，底板為砂質泥巖，煤（巖）層賦存特征見表1。

表1 頂底板巖性特征表

即將進行回采的5-211工作面位于該礦東部的二盤區，工作面北部與回風大巷相鄰，東側為5-207工作面采空區，西側為未采掘的5-209工作面，5-211工作面采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤工藝。采用頂板仰上孔探測和三維地震勘探技術，分析5-211工作面上覆巖層的基巖厚度和頂板松散巖層的富水性，基巖厚度等值線對比圖如圖1所示，5-211工作面具有煤層埋深淺，基巖薄的特點，工作面開采過程中面臨較大的突水潰砂等事故的威脅，為對5-211工作面水體下采煤進行綜合的安全性評價，確保工作面的安全開采展開相關的研究。

圖1 5-211工作面頂板物探與鉆探成果對比圖

2 突水潰砂原因分析

店坪煤礦5-207工作面回采過程中，頂板出現了較為嚴重的突水潰砂現象，根據現場對頂板巖層探測鉆孔的資料，發生該現象的位置基巖厚度一般為25～30m，在鉆孔鉆進過程中，松散層底部的土層強度很低，該出砂區域為砂礫“天窗區”。5-207工作面采高約為3m，根據設計規程的要求計算防砂安全煤柱厚度為[1～2]：

式中：Hs為防砂安全煤（巖）柱厚度，單位：m；Hm為垮落帶高度，單位：m；Hb為保護層厚度，單位：m；

圖2 防砂安全煤（巖）柱計算模型

防砂安全煤（巖）柱計算模型如圖2所示，采用《“三下”采煤規程》中硬覆經驗公式計算得到5#煤層開采垮落帶的高度為9.06m，保護層的厚度取三倍的采高為9m，所以Hs=19.06m，5-207工作面實際生產過程中留設的防砂煤柱厚度為20m，仍發生了突水潰砂事故，由此說明，原防砂安全煤（巖）柱厚度的確定方法在楔形保水壓結構下適用效果很差。

根據經驗公式[3]，5-207工作面開采頂板導水裂隙帶發育高度為29.8m，導水裂縫帶高度大于突水潰砂區域的基巖厚度，由于工作面的采動影響，楔形保水壓結構中的高壓含水層內的水沿導水裂隙攜帶沙粒涌入工作面，因此防砂安全煤（巖）柱的穩定性受到頂板高壓水的影響。防砂安全煤巖柱由頂板垮落帶和保護層組成，其中保護層的穩定性是工作面防止發生潰砂的安全保障，對阻水阻砂起著關鍵的作用，若導水裂隙帶將保護層貫穿后，高水壓滲流作用使風化泥巖的采動裂縫瞬間得以擴展，當裂隙擴展到一定的程度，保護層完全失穩，繼而導致工作面發生突水潰砂事故，因此頂板高壓水的工作面開采時，防砂安全煤（巖）柱的厚度應充分考慮頂板導水裂隙帶的發育情況，確保防砂安全煤（巖）柱的穩定性。

3 覆巖破壞數值模擬分析

為更加合理的確定5-211工作面高壓水體下采煤安全煤（巖）柱的厚度，根據該工作面詳細的地質條件，采用離散元模擬軟件[4～5]對薄基巖區工作面回采時上覆巖層的運移規律進行研究，建立如圖3所示的數值模型，模型尺寸：長×寬×高=200×300×120m，煤層厚度為3m，覆巖厚度為100m，根據工作面埋深的實際情況在上部施加3.5MPa的均布載荷，模型上邊界為自由邊界，下部邊界為固定邊界，垂直方向上位移為0，兩側的邊界x方向為固定鉸支座，y方向無位移約束。模擬過程：工作面每推進10m平衡一次，共模擬開挖120m。

圖3 數值模型

圖4 覆巖位移垮落模擬結果

由于篇幅所限，僅將典型的模擬結果展示在圖中，由模擬結果可以看出，當工作面回采20m時，直接頂破碎垮落，老頂發生初次斷裂，老頂破斷形成“短砌體梁”結構，工作面出現較為顯著的來壓現象；工作面推進40m時，采空區上覆巖層的垮落高度和垮落范圍明顯增大，失穩巖體的邊界初次出現較小的“馬鞍”型，老頂周期性破斷形成規則的塊體，沙土層出現較大的變形，呈臺階狀下沉；當工作面推進80m時，覆巖破壞形成的”馬鞍”型變得明顯，頂板巖層進一步位移，頂板巖層的破壞高度達到34m；工作面推進至120m時，上覆巖層呈馬鞍型破壞范圍增大，導水裂縫帶高度與工作面回采80m時基本相同，巖層移動角為75°左右，覆巖的破壞范圍在采空區前后邊界附近達到最大，導水裂隙帶高度約為35m。

4 高水壓下工作面安全開采技術

根據以上研究可知，導致回采工作面發生突水潰砂事故的主要原因為頂板巖層內的高壓水及工作面回采導水裂隙帶的發育，店坪煤礦5-211工作面回采過程中，由以上兩點出發，對高水壓防砂安全煤（巖）柱的失穩進行防治。5-211工作面回采巷道掘進過程中，上、下順槽每間隔100m布置一個鉆場，對頂板基巖厚度及涌水情況進行探查，根據模擬分析的結果，頂板巖層基巖的厚度應當大于等于35m，當基巖厚度達到該要求時，每個鉆場施工2～3個鉆孔對上覆巖層內的高壓水進行疏放；當基巖厚度小于35m時，加強頂板的探測和高壓水的疏放，探測孔終孔間距小于等于30m，每個鉆場根據實際情況適當的增加探查孔的數量，鉆孔的布置詳情如圖5所示。

圖5 5-211工作面頂板探查孔布置示意圖

5-211工作面局部區域基巖厚度小于30m，僅通過工作面疏水降壓并不能完全避免工作面突水潰砂的威脅，在此區域采用限厚開采技術，正常回采階段，工作面采高為3.0m，在基巖變薄區域工作面采高為2..2m，限厚開采的范圍如圖6所示，工作面推進過程中，嚴格執行工作面探放水、開采技術和防水防砂安全等措施，最終完成了整個工作面的安全高效回采，取得了顯著的經濟和社會效益。

圖6 5-211工作面限厚開采范圍

5 結論和建議

根據店坪煤礦5-211工作面頂板仰上孔探測和三維地震勘探結果，5-211工作面頂板巖層基巖的厚度在20～35m之間，工作面回采面臨較大的頂板突水潰砂的威脅，通過理論分析和數值模擬得知，工作面突水潰砂的主要由于頂板巖層內的高壓水和工作面回采形成的導水裂隙帶，因此，5-211工作面回采前對頂板高壓水進行超前探放，在基巖變薄帶通過限高開采（采高2.2m）來控制導水裂隙帶的發育高度，最終實現了5-211工作面的安全高效開采，取得了良好的經濟效益和社會效益。