高水壓工作面防治水保障技術措施

李 偉

（神東煤炭集團公司 補連塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 工作面的簡介

礦井設計生產能力1.8Mt/a，礦井可采儲量139.86 Mt，服務年限55.5a。11011首采工作面位于一盤區上山中部，采面切眼東南180 m是F18斷層，西北側是一盤區大巷。東北側是未開采的11021綜采工作面，西南側是未開采的11051工作面。工作面走向長度2266.9m，切眼長度180 m，地面標高+75.7～+77.4 m，工作面標高-590.5（T）～-653.4（T）。工作面主采 21煤層，煤層厚度平均6.16 m，煤層傾角5.5°，煤層結構簡單。該工作面21煤層位于山西組底部，上距沙鍋窯砂巖（Ss）60.18 m、大占砂巖（Sd）4.21m，層間距厚度平均6.35m；屬穩定厚煤層，煤層結構簡單，以塊煤為主，內生裂隙，局部方解石充填，局部含有夾矸及發育炭質泥巖偽頂。工作面頂板情況見表1。根據三維地震資料及順槽掘進過程觀測，工作面內賦存斷層共計6條，其中3條對回采影響較大，回采中要對斷層加強觀測，提前制定措施。工作面主要充水水源為底板L8灰巖水（灰巖平均厚8.3 m），局部巖溶發育，富水性較強，上距21煤底板平均26.5 m，含水層水位標高-79.595m左右，水壓7.4MPa。

表1 工作面頂底板情況

2 工作面的突水可能性評價

目前，底板突水危險性主要用突水系數法判定。突水系數是指單位厚度所能承受的水壓值（水壓比）：

式中：P為作用于底板的水壓，MPa；M為底板厚度，m。關鍵在于確定臨界突水系數TS（每m隔水層厚度所能承受的最大水壓）。若T＜TS說明底板穩定，突水可能性??；若T＞TS說明底板不穩定，突水可能性大。臨界突水系數是對礦區大量突水資料統計分析得出的，一些突水資料豐富的礦區總結的TS值，見表2。根據地質資料，11011工作面底板L8灰巖承壓水壓力7.4 MPa，底板平均厚度26.5 m，算出突水系數0.28，遠大于焦作礦區臨界突水系數0.060～0.100，因此底板突水危險性很大，開采期間要實施必要的安全保障措施。

表2 我國一些礦區的臨界突水系數

3 避水災巷道的防護措施

3.1 順槽的防沖防倒裝置

11011工作面膠帶、回風順槽長度均在2 200 m以上，兩巷的單體支柱達到7 000～8 000根，如此多的單體支柱，雖可有效支護巷道（防止巷道底鼓和頂板下沉），但也會因單體支柱老化損壞、施工時無意碰撞、巷道壓力突增損壞單體支柱。再者，現用單體支柱普遍較高（最低3.15 m），突然倒下時重力較大，傳統的防倒設施（防倒鏈條強度、防倒鉤強度、吊掛不合理等問題）不能有效起到防倒目的，造成很大安全隱患，會給人員與設備的安全管理造成威脅。有些事故實例表明，工作面發生大型突水時，巷道支護材料的倒塌和堆積，阻礙了人員撤離。為防止工作面突出來的水將順槽中的單體液壓支柱沖倒，研發了單體液壓支柱連鎖防倒裝置。它可有效解決現用液壓支柱使用麻煩、效果不好、存在安全隱患的問題。技術方案包括：緊繩器、固繩器、鋼絲繩。該裝置結構簡單、使用方便，是單體液壓支柱防倒裝置的創新。

圖1 緊繩器示意圖及使用狀態圖

見圖1。鋼絲繩4的一端經滑輪1固定在緊繩器2上，緊繩器2裝在端部的單體液壓支柱3上；另一端經固繩器6固定在（緊繩器2相對的）另一端的單體液壓支柱上；中間的單體液壓支柱上有防倒鉤5，鋼絲繩4經防倒鉤5與單體液壓支柱固定在一起。為了保證使用效果，緊繩器2包括滾筒和槽鋼，槽鋼13上裝有U型卡，槽鋼13的支架上裝有滾筒10，伸出支架的滾筒10一端有搖臂9，另一端有齒輪11，支架上有與齒輪11嚙合的磕頭閘15，磕頭閘15上有磕頭閘卡簧12。單體液壓支柱3上端有∏型鋼梁7，下端有工字鋼8。使用時，先將緊繩器2固定在需要防倒的單體液壓支柱3端頭的一根單體液壓支柱的合適位置；后將滑輪1和每個防倒鉤5固定在單體液壓支柱的同一高度位置上；再把纏繞在緊繩器2滾筒10上的鋼絲繩4經過滑輪1，逐個穿過每根單體液壓支柱上的防倒鉤5；并在最后一根單體液壓支柱上用固繩器6將鋼絲繩4固定；最后搖動搖臂9把鋼絲繩4拉緊，從而起到單體液壓支住整體防倒的作用。

3.2 巷道的可縮高強閉合支護

工作面大量涌水后，巷道底板巖石和碎煤被沖，沉積了巷道的低洼處，易堵塞避災線路，為此按圍巖性，研究巷道采用可縮高強閉合支護。

1）巷道支護情況。由于回風斜巷處在構造破碎帶中，巖層中裂隙十分發育，極易冒落。掘進時巖層被揭露后，在短時間內就會風化、崩解，加上巷道圍巖不斷蠕動、變形，引起巷道圍巖破碎范圍不斷擴大，使巷道圍巖變形進一步擴大。

一次支護后，巷道圍巖變形逐步呈現出來，5d左右一般出現漿皮開裂、頂板下沉，產生網兜等現象，局部地段出現底鼓現象，有時頂板下沉速度很快，可在巷道圍巖變形嚴重的時間段過后，進行二次支護。二次支護采用12號工字鋼加工的支架。有時巷道圍巖吸水后膨脹力大，造成工字鋼彎曲變形，使支架失去支撐作用。對這類地層要及時在巷道兩幫打上錨索、拉住工字鋼支架腿，以減少其變形。待變形穩定后再將變形的工字鋼支架換下。

巷道底板破碎，嚴重底鼓是礦壓顯現的重要特征，說明底板巖石發生剪切破壞和滑移，形成塑性流動，嚴重時導致底板L8灰巖水涌出。一旦工作面突水，底板巖石易沖走，影響避災路線。因此二次支護采用底拱封底，也增加了兩幫的支撐力，減少了巷道兩幫的移進和變形。實際施工中，一般采用雙層工字鋼加工的底拱，抗壓強度成倍增加。

2）工字鋼連接裝置。礦用工字鋼拱形支架，主要用于高應力軟巖巷道支護（其由多根工字鋼經連接件構成），耐動水沖擊性不佳。要實現巷道的高強度閉合支護，必須將礦用工字鋼緊緊固定。

現有工字鋼的可縮性連接裝置，一種是用“U”形卡纜，另一種是用“U”形卡塊?？ɡ|由兩部分構成，一部分由鋼板壓成的兩側帶連接板的凹形板，另一部分由鋼筋壓成的“U”形環，“U”形環容易損壞，安裝時螺母緊固較困難。卡塊設計是將工字鋼連接端頭加工成一斜面，對接后使用U形卡塊，卡塊套在一個工字鋼上開口處扣在另一個工字鋼槽內，這種連接卡塊容易脫落，當支架受到壓力時，開口處卡勾容易損壞。

圖2 新型工字鋼連接裝置

為克服上述技術缺陷，研發了一種新型工字鋼連接裝置，見圖2。M形腹板和U形腹板上，有對應的多個安裝孔，孔內有螺栓，將M形腹板和U形腹板固定在一起，結構簡單、使用方便、效果好。

4 礦井的防淹井措施

工作面底板加固和斷層突水防治工程，均要在礦井生產系統基本安全的情況下實施的，為了防治建井期間礦井發生突水事故，探索了一套防治技術。

4.1 安裝潛水電泵

根據地質勘探報告，本區21煤層水文地質勘探類型為第三類第二亞類第二型，是以底板進水為主的巖溶充水條件中等型礦床。由于開采的21煤層埋深大，煤層下部灰巖含水層水壓大，奧陶系灰巖含水層天然水位標高+82 m，初期開采范圍-600～-682 m塊段時，水頭壓力值6.82～7.64MPa。由于深部水壓大于5MPa，高壓水閘門尚無定型設計產品，超高壓防水閘門也還在研究階段。因此，不能設置防水閘門，要用配備潛水電泵系統。

4.2 建立完善的礦井水文地質觀測系統

針對本礦具體條件，礦井防治水應以防治奧灰、L2和L8灰巖水為重點。因此結合已有水文觀測孔的情況，不斷完善礦井水文地質觀測系統，2010年11月底完成了井下水文觀測系統建設，并與地面觀測系統形成連網動態觀測，及時掌握地下水動態變化規律，為水害治理方案提供科學依據。

4.3 建立井下排水系統

1）井下-682 m標高設置主排水泵房，已裝4臺MD420-93×9型離心式排水泵和9臺MD450-90×9型離心式排水泵，每臺水泵均配YB2-560-4型10kV、1600 kW礦用防爆型電動機一臺，正常涌水期6臺工作，5臺備用，2臺檢修，最大涌水期11臺工作。排水管路選用6趟D426×22無縫鋼管，分段選擇壁厚。正常涌水期3趟工作，最大涌水期6趟工作。

2）布置內、外水倉共3條，每條可單獨清理，水倉有效長度總計1 140 m，有效容量11 000 m3，滿足《煤礦安全規程》規定。

3）“帶水壓開采”范圍內的各采、掘工作面,均要根據預計最大涌水量配備能滿足采、掘工作面最大涌水量的排水設備和設施。

4）要對排水系統進行定期維護保養，確保正常運轉。每年雨季前，對井下泵房水倉進行清挖，確保水倉足夠容量，泵房均要實行低水位排水。

5 結束語

1）通過順槽中使用防沖防倒裝置和巷道采用可縮高強閉合支護，使避水災巷道保持暢通及防止底板L8灰巖水涌出。

2）通過安裝潛水電泵、建立完善的礦井水文地質觀測系統、建立井下排水系統等，建立了成套的防淹井措施。

3）建立了“順槽的防沖防倒裝置、巷道的可縮高強閉合支護技術、建井期間防淹礦井措施”組成的礦井水害防治技術，成功用于11011工作面，實現了礦井安全生產。

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