高位離層突水誘導工作面切頂壓架災害預警研究

李正杰，李連剛，縱 峰，王 濤，張 震

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.陜西金源招賢礦業有限公司，陜西 寶雞 721599；4.皖北煤電集團有限責任公司 五溝煤礦，安徽 淮北 235000)

近年來，煤礦水害事故多發，如新疆豐源煤礦“4·10”透水事故，山西朔州茂華萬通源煤業有限公司“11·11”透水事故，湖南源江山煤礦透水事故，四川杉木樹煤礦“12.14”透水事故等，不僅威脅井下作業人員安全，也容易引發次生災害，如陜西招賢煤礦曾于2020年連續發生3起綜放工作面突水事故，未造成人員傷亡，但由此引發了大面積切頂壓架，經濟損失嚴重。目前，高位離層突水誘導工作面切頂壓架災害在我國并不多見，屬于新型災害類型，該突水壓架具有某些規律性，僅在陜西彬長、永隴等富含水礦區特厚煤層開采區域較為突出。

針對工作面出水壓架問題，許家林、吳玉華等[1-10]早期從覆巖發育高度、突水機理、壓架防治技術等方面進行了諸多研究和探討，有效解決了一些突水壓架現場問題。針對由高位離層突水誘導的工作面切頂壓架災害，徐剛、黃志增等[11，12]建立了我國工作面頂板災害全景監測預警技術架構，通過監測數據系統分析，動態掌握采場圍巖的活動規律和支架工況，實現頂板災害監測預警；林青、李正杰等[13，14]基于綜放工作面現場觀測、礦壓數據及理論分析，初步提出了以見方步距、支架阻力、長觀孔水位、周期來壓為核心的綜合預警指標；喬偉等[15，16]以水位、微震監測數據為高位離層突水前兆信息，揭示特厚煤層綜放開采覆巖主控裂隙演化特征及離層水害機理；婁金福等[17]針對黃隴侏羅紀煤田采場出水壓架災害現狀，構建了以“大周期來壓、支架阻力高位預警、水位降速、宏觀礦壓顯現異常”為主的出水壓架預警機制，建立了以危險區域劃分、采放工藝優化及工作面日常管控為主的防控體系；王曉振等[18]利用松散承壓含水層水位變化與頂板來壓的聯動效應，提出將水位下降速度作為預警指標對壓架突水災害進行預警的方法，并基于地下水動力學原理導出工作面壓架突水時的水位降速臨界預警值計算公式。以上研究對工作面離層突水壓架防治起到了積極的作用，但研究多注重于突水機理和突水壓架防治技術，在高位離層突水壓架監測預警方面研究較少或預警指標研究不深入、不全面，此外，相關礦區高位離層突水壓架事故仍未得到徹底解決，機理掌握還不完全清晰，突水壓架災害仍時有發生。

在自身以往類似研究的基礎上，結合招賢煤礦3次突水壓架災害的新特點，本文全面探索高位離層突水誘導大面積切頂壓架災害的預警指標及其閾值，提出具有可操作性的監測預警方法，為該類礦區高位離層突水壓架災害防治和工作面安全管理提供理論依據。

1 工作面基本開采條件

招賢煤礦礦井生產能力2.40Mt/a，主采侏羅紀延安組3號煤，煤層厚度為4～16m，平均11.0m。3號煤層埋深為401～694m，傾角8°～22°，為易自燃煤層，自然發火期最短27d。礦井為高瓦斯礦井，水文地質類型劃分為復雜型，3號煤屬于Ⅱ類弱沖擊傾向性煤層，其頂板巖層均屬于Ⅱ類弱沖擊傾向性頂板巖層。3號煤層鉆孔綜合柱狀圖如圖1所示。基本頂為粉砂巖，細粒結構，鈣質膠結，厚度為17～38m，最厚50m，平均30m；直接頂為泥巖，厚度為7.6～16.9m，局部達22.9m，平均14.8m；直接底為碳質泥巖或泥巖，厚度1.9～7.4m，平均4.9m，為穩定性較差巖體。

圖1 煤層綜合柱狀圖

1304綜放工作面是該礦第2個回采工作面，走向長度1680m，寬度186m，采高3.5m，放煤高度平均10.5m。1304工作面煤層頂板距巨厚宜君組礫巖含水層底部220～280m，工作面選用ZF16000/21/38D型四柱支撐掩護式液壓支架，支護強度平均1.59MPa；乳化液泵型號為BRW400/37.5，采用遠距離供液方式。借鑒以往研究[19-21]，在宜君組礫巖與安定組泥巖之間將形成多層高位離層空間。

2 綜放工作面切頂壓架與水-壓聯動效應

2.1 工作面3次切頂壓架案例

1304工作面回采至944m時，發生第1次高位離層突水，出水位置為進風隅角至17號架、31號架至41號架、55號架至58號架，瞬時最大涌水量約280m3/h，累計涌水量為16000m3，涌水攜帶煤泥、泥巖及砂石，工作面中下部第54號支架至第112號支架被煤泥等物於滿，淤積長度約101m，淤積物總量約為640m3。離層突水期間，工作面第25號架至第112號架發生架前切頂，壓死支架88部。第1次出水壓架工作面停產25d。

工作面回采至1001m時，發生第2次高位離層突水，本階段只割煤、未放煤。出水位置為回風隅角附近、108號架至104號架、96號架至92號架，瞬時最大涌水量約260m3/h，累計涌水量22000m3，涌水攜帶的煤泥將110號架至112號架淤堵。離層突水期間，工作面第66號架至第112號架煤壁均發生切斷冒頂，壓死支架47部。第2次出水壓架工作面停產20d。

工作面回采到1109m時，發生第3次高位離層突水，出水位置為膠運巷自煤壁向外10m范圍至工作面第8號架，瞬時最大涌水量約420m3/h，累計涌水量36000m3。出水造成膠運巷自切眼向外500m、風巷自切眼向外110m以及整個工作面均被淹，工作面大范圍壓架，甚至立柱變形、炸缸、壓斷等現象。第3次出水壓架后工作面即結采、回撤。

2.2 水-壓聯動效應

第1次、2次、3次高位離層突水壓架位置如圖2所示，支架工作阻力與長觀孔水位關系曲線如圖3所示，出水壓架地段的其他支架工作阻力(或壓力)與長觀孔水位關系曲線均類似，受篇幅所限，僅列舉了典型單個支架的情形。3月24日水位開始快速下降，3月27日工作面推進14.4m發生大面積來壓，安全閥持續開啟卸壓；3月30日工作面又推進了12m發生突水壓架；從水位開始下降至工作面突水壓架，周期約6d。5月3日水位開始快速下降，5月4日工作面推進了6.4m發生大面積來壓，安全閥持續開啟卸壓；5月6日工作面又推進了13.6m發生突水壓架；從水位下降至工作面突水壓架，周期約4d。6月30日05∶00水位開始快速下降，7月1日05∶30左右工作面推進約4m發生大面積來壓，安全閥持續開啟卸壓；7月1日16∶09機頭段1#—4#支架壓架，9#支架炸缸、斷柱，當天20∶36工作面發生突水和大面積壓架；從水位下降至工作面突水壓架，周期約2d。

圖2 歷次高位離層突水壓架位置

圖3 1304工作面典型支架工作阻力與長觀孔水位關系曲線

對比3次高位離層突水壓架的水位-礦壓聯動關系可知，招賢礦宜君組高位離層突水與切頂壓架緊密相關，聯動顯著且時序性明顯，從水位下降至大面積來壓工作面分別推進了14.4m、6.4m、4m，從大面積來壓至突水壓架工作面分別推進了12m、13.6m、2.4m。由此可見，水-壓聯動效應是突水壓架預警的基礎和前提，為防治工作預留時間約2～6d。

3 切頂壓架預警指標閾值確定

3.1 大周期步距

1304工作面寬度為186m，第1次突水壓架時工作面回采至944m，正位于第5次見方附近；第3次突水壓架時工作面回采至1109m，位于第6次見方附近。3次突水壓架事故中有2次位于見方附近，可見，工作面見方位置與突水壓架相關度高。工作面見方是高位基巖層易于發生大范圍失穩破斷的臨界區，此區域高位基巖層形變速率最大，導水裂隙快速向上發育溝通離層空間，在水的綜合作用下架前切頂形成切冒通道，涌水攜帶泥砂等沖出涌入工作面形成潰水潰砂災害。

歷次見方是高位離層突水壓架的高發區，可將其作為一個有效預警指標，結合永隴礦區相關礦井的防治經驗及招賢礦出水壓架持續長度，預警區范圍取見方位置前后50m。

3.2 支架增阻速率

1304工作面高位離層突水壓架過程中，支架增阻速率統計見表1。正常開采非來壓期間，支架增阻速率為0.1～35.4kN/min，平均13.1kN/min；周期來壓期間，支架增阻速率為4.9～66.2kN/min，平均20.6kN/min，增加了57.3%；大面積來壓(突水壓架)期間，支架增阻速率為12.8～392.3kN/min，平均83.6kN/min，比周期來壓增加了305.8%。

表1 1304工作面支架循環增阻速率統計

支架增阻速率作為預警指標，為保證其時效性，將閾值介于周期來壓與大面積來壓支架增速之間，因此，確定以支架平均增阻速率25kN/min為合理的突水壓架預警值。

3.3 工作阻力與動載系數

工作面在切頂壓架前后的循環末阻力、動載系數特征統計見表2。

表2 1304工作面支架循環末阻力(均值)與動載系數統計

大面積來壓之前，正常開采時支架循環末阻力為10174～14009kN，平均12565kN；周期來壓時支架循環末阻力為14104～16844kN，平均15048kN；大面積來壓期間，支架循環末阻力為14971～17751kN，平均16358kN。周期來壓期間動載系數為1.04～1.44，平均1.20，動載不明顯；大面積來壓期間動載系數為1.18～1.56，平均1.31，動載較強烈。

以連續5架以上支架平均循環末阻力大于15500kN、平均動載系數大于1.25，作為突水壓架預警指標。

3.4 安全閥開啟率

正常來壓時，工作面支架安全閥開啟率為9.5%～23.8%；出水壓架前，安全閥開啟率持續增大，由14.3%、23.8%增加到38.1%，最終達到75%以上，發生大面積壓架事故，如圖4所示。根據統計，第1次、2次、3次突水壓架安全閥開啟率分別為76.2%、82%、76.2%。

圖4 1304工作面支架安全閥開啟率變化曲線

工作面支架安全閥開啟率≥30%，開啟壓架預警；安全閥開啟率≥50%，同時工作面出現淋水時，開始撤人至安全區域。

3.5 長觀孔水位降速

1304工作面突水壓架過程中，臨近工作面2個長觀孔(G3和G4)水位增速變化曲線如圖5所示。在突水壓架前的6月30日4∶00～6∶00，長觀孔水位開始持續下降，且水位降速呈遞增趨勢，由0.01～0.02m/h至最大0.26～0.29m/h。從水位降速分析，出現持續5h以上水位下降、降速不低于0.02m/h且存在繼續下降的趨勢時，啟動出水預警。

圖5 1304工作面長觀孔水位增速變化曲線

4 切頂壓架兩階段預警方法

將上述6個預警指標分為兩類：前兆性指標和實時性指標。其中，前兆性指標包括初次來壓步距和大周期步距，實時性指標包括支架增阻速率、工作阻力與動載系數、安全閥開啟率、長觀孔水位降速。由此，提出了切頂壓架兩階段預警方法，即超前預警和實時預警。

4.1 超前預警

在工作面開采之前，基于高位離層突水-壓架聯動效應研究，結合出水壓架前兆性指標及工作面地質異常區勘探位置，提前劃定出水壓架風險高的區域進行超前預警，并制定該區域的突水壓架預案。

以接續的1305工作面為例，1305工作面劃分的5個突水壓架危險區，1305工作面突水壓架超前預警范圍如圖6所示，主要包括初次來壓(40～60m)20m和各見方位置(前后25m)50m范圍。工作面推進至該區域之前，即開始注重加強礦壓與水文監測，推進過程中若各預警指標均無異常變化，則工作面正常推進；若預警指標部分或全部達到規定的預警值，則采取降低采放高度、加快工作面推進速度、保障排水設施設備正常運行等出水壓架防治措施。

圖6 1305工作面突水壓架超前預警

4.2 實時預警

在工作面開采過程中，利用現場觀測和礦井布置的監測儀器獲得的實時數據，分析支架增阻速率、工作阻力、動載系數、安全閥開啟率以及長觀孔水位降速等預警指標的變化狀態，進行實時動態預警。根據現場突水壓架的時效性，選擇以天為單位形成工作面礦壓日報表，把工作面礦壓顯現規律、初撐力管理、支架工況、水文變化、生產情況等基本信息準確提取，判斷是否達到突水壓架預警指標，及時反饋現場，指導工作面突水壓架防治。

當實時監測數據達到預警值后，啟動兩級預警-防治機制：

1)水位開始持續下降至大面積來壓階段，啟動出水壓架第I級預警-防治。加快工作面推進速度，工作面只割煤不放煤，確保不小于8刀/d；檢查兩端頭抽水泵狀況，確保可以隨時開啟工作；帶壓擦頂移架，保證初撐力和架形，防止架前切頂；泄水孔透孔；工作面預留底煤，防止底板泥化、支架鉆底等。

2)工作面大面積來壓至出水開始階段，啟動出水壓架第II級預警-防治。在第I級防治措施基礎上，超前拉架護頂，防止潰水潰砂；保證兩回采巷道具備良好的移超前架條件；檢查局扇狀況，工作面接風筒備用；出水量顯著增大或多部支架活柱快速下縮且局部被壓死或出現潰水潰砂時，工作面撤人。

當含水層水位上升至穩定狀態，礦壓也恢復正常，工作面無淋水，距上一出水點推進不小于50m后，即可解除出水壓架預警，工作面正常生產。

5 結 論

1)基于招賢煤礦3次高位離層突水壓架案例分析，離層突水與切頂壓架聯動效應顯著，且具有“水位下降—大面積來壓—突水壓架”穩定的時序性特征，水—壓聯動效應為突水壓架預警及防治預留約2～6d時間或6.4～26.4m的推進度。

2)確定了大周期步距、支架增阻速率、支架工作阻力、動載系數、安全閥開啟率及長觀孔水位降速6個預警指標的合理閾值，作為綜放工作面高位離層突水壓架預警的參數。

3)提出了切頂壓架的兩階段預警方法。以大周期步距和初次來壓為超前預警依據，屬于采前預警；以支架增阻速率、工作阻力、動載系數、安全閥開啟率以及長觀孔水位降速為實時預警依據，屬于采中預警，并制定了突水壓架兩級預警-防治機制。

4)在招賢煤礦1305工作面試驗應用了切頂壓架兩階段預警方法，目前工作面已順利回采了500余米，經歷了初次來壓和2次大周期來壓，水位異常變化2次。通過執行突水壓架兩級預警-防治機制，工作面沒有發生突水和切頂壓架災害，實現了安全回采。