富水頂板綜放工作面出水規律與高位關鍵層破斷特征分析?

劉前進霍永金婁金福

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.中天合創能源有限責任公司,內蒙古鄂爾多斯市,016105)

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富水頂板綜放工作面出水規律與高位關鍵層破斷特征分析?

劉前進1霍永金2婁金福1

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.中天合創能源有限責任公司,內蒙古鄂爾多斯市,016105)

針對崔木煤礦富水頂板特厚煤層綜放工作面在限厚開采條件下,仍然頻繁出現的出水和壓架問題,分析了上覆關鍵層破斷與工作面出水的關系,認為21303工作面導水裂隙帶的發育高度受高位厚硬巖層亞關鍵層Ⅰ的控制,最大發育高度為185 m。工作面出水具有周期性,且出水周期性與亞關鍵層Ⅰ周期性破斷有關,出水在形式上可以分為直線型導通和折線型導通兩種。在初次和周期性出水期間伴隨著工作面強礦壓顯現。

綜放工作面 富水頂板 高位關鍵層 導水裂隙帶 出水周期

崔木煤礦位于黃隴煤田永隴礦區,煤層穩定、厚度大。但在煤層上覆頂板中存在比較厚的富水巖層,水文地質復雜,其中白堊系洛河組砂巖層是其主要含水層,該含水層富水性較強、分布廣、厚度大,多次造成工作面出水淹面、乃至壓死支架事故,嚴重威脅礦井的安全生產。因而有必要針對富水頂板特厚煤層條件下綜放工作面覆巖破斷特征及出水規律進行研究,進而提出切實有效的防范治理措施,保障工作面的安全生產。

1 工作面概況

崔木煤礦21303工作面所采煤層為3＃煤層,煤層厚度平均為16 m,硬度系數為1,煤層傾角平均為6°,屬近水平煤層。直接頂為8.0 m厚的粗粒砂巖,老頂為19.3 m厚的泥巖。工作面一側為21302采空區,一側為實體煤,走向長850 m,傾向寬200 m。由于受到頂板富含水的影響,采用分層綜采放頂煤工藝,以控制上覆巖層破壞范圍,上分層采放高度為8 m,機采高度為3.5 m,放煤高度為4.5 m,工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 21303工作面巷道布置平面圖

為觀測21303工作面洛河組含水層水位變化,在距工作面切眼171 m處打G4觀測孔(見圖1),并采用水位遙測及報警系統,每2 h自動記錄一次水位數據,對水位進行不間斷觀測。同時,在工作面布置支架礦壓在線監測系統,實時監測工作面礦壓動態變化。

2 關鍵層破斷特征及導水裂隙帶發育規律

2.1 工作面上覆關鍵層的判斷

根據關鍵層理論,地下采場上覆巖層裂隙帶的發育高度受關鍵層的破斷特征決定。由關鍵層判別準則,并結合工作面上覆巖層的巖性和厚度可知:在21303工作面上方共存在4層關鍵層,從下至上依次為老頂、亞關鍵層Ⅰ、亞關鍵層Ⅱ和主關鍵層,工作面上覆巖層結構及關鍵層判別結果如表1所示。其中,主關鍵層和亞關鍵層Ⅱ位于洛河組含水層當中,巖性以砂巖為主,是工作面上方主要含水層。由于這兩個關鍵層的層位相近,剛度差異很大,當工作面開采范圍足夠大時,在兩關鍵層之間可形成與采空區相互不連通的空腔型離層,這樣的離層帶具備一定的蓄水條件,當洛河組含水層注滿離層帶時,就會出現離層帶蓄水現象。

表1 21303工作面上覆巖層結構及關鍵層判別結果

亞關鍵層Ⅰ厚度較大,巖性以泥巖和砂質泥巖為主,是工作面上方主要隔水層,該組合關鍵層破斷時將引起其上的隔水層發生同步破斷,進而將洛河組離層水導入工作面。老頂是距工作面最近的上覆關鍵巖層,它的穩定和失穩影響支架工作阻力的變化,根據工作面礦壓實測得出老頂初次破斷步距為51 m,周期破斷步距為20 m。

2.2 導水裂隙帶發育高度和關鍵層極限跨距的確定

隨著采空區走向長度的延伸,覆層斷裂呈一定角度不斷向上擴展,在走向和傾向上均近似呈等腰梯形發育。如圖2所示,由于高位厚硬巖層與煤層間距較大,受巖層斷裂角影響,其懸露寬度并不等于工作面長度,兩者的關系式為:

同理可得巖層在走向上的極限跨距a與工作面的推進距離x的關系式為:

式中:b——巖層懸露寬度,m;

a——巖層走向極限跨距,m;

l——工作面長度,取200 m;

∑h——巖層距煤層垂直距離,m;

φ——巖層破斷角,均取80°;

x——工作面推進距離,m。

亞關鍵層Ⅰ和亞關鍵層Ⅱ距煤層的距離分別為56 m和185 m,均為高位厚硬巖層,由式(1)可得亞關鍵層Ⅰ和亞關鍵層Ⅱ的懸露寬度分別為b1＝180 m,b2＝135 m。

圖2 高位關鍵層沿工作面傾向懸頂示意圖

由于高位厚硬巖層破斷步距較大,其極限跨距將受到邊界條件和懸露寬度影響,由反映其自身穩定性的步距準數lm和反映邊界條件與懸露寬度影響的系數ω決定,巖層初次破斷和周期破斷時所處的邊界條件不同,但均滿足通式:

式中:i——表示不同的邊界條件;

ai——不同邊界條件下巖層破斷步距,m;

lm——步距準數,m;

ωi——邊界條件與懸露寬度影響的系數。

其中,步距準數為不考慮邊界條件和懸露寬度影響,即四邊固支寬度無限長條件下的極限跨距,其表達式為:

式中:h——巖層厚度,m;

μ——巖層的泊松比,取0.23;

q——巖層自重及上覆載荷,MPa;

σs——巖層抗拉強度,MPa。

考慮到水壓影響,亞關鍵層Ⅰ的載荷為q1＝2.2 MPa;亞關鍵層Ⅱ的載荷為q2＝5.0 MPa,并將巖層其它各參數代入式(4)得亞關鍵層Ⅰ和亞關鍵層Ⅱ的步距準數分別為:lm1＝167 m,lm2＝174 m。由于b1＞lm1,b2＜lm2,根據板破斷理論可知亞關鍵層Ⅰ在達到極限跨距時能夠垮落,而亞關鍵層Ⅱ則始終穩定不垮落。因此,裂隙帶發育高度受亞關鍵層Ⅰ控制,最高可發育到亞關鍵層Ⅱ的下方,因為亞關鍵層Ⅱ距煤層的高度為185 m,則裂隙帶最大發育高度為185 m,而洛河組含水層底部距煤層高度約為173 m,故裂隙帶已波及到洛河組含水層,存在洛河組出水危險。

當亞關鍵層Ⅰ初次破斷時,其邊界條件為三固一支,對應的邊界和寬度影響系數為:

當亞關鍵層Ⅰ周期破斷時,其邊界條件為兩固兩支,對應的邊界和寬度影響系數為:

式中:λ——懸露巖層長寬比;ac——懸露巖層初次破斷步距,m;az——懸露巖層周期破斷步距,m;b——巖層懸露寬度,m。

已知b＝180 m,lm＝167 m,分別聯立公式(3)、(5)和(3)、(6)得亞關鍵層Ⅰ的初次斷裂步距ac＝210 m,周期斷裂步距az＝159 m,并由公式(2)可得亞關鍵層Ⅰ初次破斷時工作面的推進距離為xc＝230 m,歷次周期破斷時工作面的推進距離為xzn＝xc＋naz,n為亞關鍵層Ⅰ周期破斷的次數。

3 工作面出水規律分析

3.1 工作面出水周期分析

21303工作面回采期間G4長觀孔數位變化如圖3(圖中豎線所標為出水發生時間)所示,工作面自開切眼推出后,洛河組含水層的水位基本沒有變化,當工作面在4月26日推進至235 m時,洛河組觀測孔水位開始迅速下降,這與計算得出的亞關鍵層Ⅰ初次破斷時工作面推進距離基本相符,表明洛河組含水層初次水位下降發生在亞關鍵層Ⅰ初次破斷時候。在5月2日工作面又推進38 m,至273 m時工作面首次出水,滯后水位開始下降約2個老頂周期來壓步距。

隨后,在6月15日洛河組水位又明顯下降,此時工作面推進距離為552 m,約等于亞關鍵層Ⅰ第二次周期性破斷時工作面的推進距離,表明工作面第二輪水位下降開始于亞關鍵層Ⅰ的再次周期斷裂之后。在6月17日推進至567 m時工作面發生第二輪出水,滯后含水層水位開始下降的步距為15 m,約為1個老頂周期來壓步距。

圖3 G4長觀孔水位曲線

第三輪出水發生在工作面推進至718 m時的7月14日,滯后含水層水位開始下降的步距為19 m,也約為1個老頂周期來壓步距,水位下降開始時間與亞關鍵層Ⅰ第三次周期性破斷也基本吻合。

總結以上出水現象可知,工作面水位開始下降周期與亞關鍵層Ⅰ的初次破斷和周期性破斷相關,且出水多滯后于水位下降時間大約為1～2個周期來壓步距,因此可以通過監測水位變化來預測工作面出水。而3＃煤層頂板至洛河組底界面的巖層巖性主要以泥巖為主,遇水易崩解軟化,在涌水沖刷過程中使已經貫通的導水裂隙重新閉合。但隨著工作面向前推進時老頂的周期性斷裂,導水裂隙在采動作用下反復張開,經歷多次離層閉合充水、導水再到閉合充水的過程,該過程中的水位波動情況見圖4,造成工作面每輪出水過程中均發生短期內頻繁出水的現象,反復出水的周期約為老頂的周期來壓步距。

圖4 G4長觀孔水位波動圖

影響工作面出水的一個關鍵因素是主導水通道的貫通,并取決于隔水層本身的隔水性能和受采動破壞的程度。例如,在亞關鍵層Ⅰ第一次周期斷裂期間,G4長觀孔水位只是略微下降,工作面也僅出現過較小的淋水,工作面礦壓顯現亦不強烈,表明隔水層受采動破壞程度較輕,主導水通道沒有充分打開,離層水只是通過微小裂隙滲入工作面,從而沒有在工作面產生大的涌水。

3.2 工作面出水期間礦壓顯現規律

總結以上出水規律可知,工作面出水均發生在周期來壓期間,且均伴隨強礦壓顯現,呈現支架活柱急劇下縮、安全閥頻繁開啟等現象,出水與非出水期間周期來壓特征對比如表2所示,可見工作面出水使老頂周期來壓更加強烈。這是由于離層水在沖蝕導水裂隙帶進入采場和采空區的過程中會使巖層強度降低和老頂鉸接點破壞,容易導致老頂滑移失穩而部分轉化成直接頂,從而導致老頂斷裂時作用在支架上的載荷增大。在21303工作面之前的21301和21302工作面由于選用的支架額定工作阻力不足以及現場管理不當等原因,曾在出水前后多次發生壓架事故。

3.3 工作面出水形式與礦壓顯現關系

總結21303工作面出水來壓的規律及上兩工作面出水壓架的因果關系,將工作面可能的出水形式描述為折線導通型和直線導通型兩種,如圖5所示。

表2 21303工作面出水與非出水期間工作面來壓特征對比

圖5 亞關鍵層Ⅰ初次破斷時導水裂隙走向剖面圖

由21303工作面出水與水位開始下降的時間關系可知,老頂與亞關鍵層Ⅰ的破斷多不同步,亞關鍵層Ⅰ破斷后,離層水一般會經歷1～2個老頂周期來壓才從裂隙帶巖層斷裂線打通主導水通道,主導水通道呈現一條折線(圖5(a)),表現的礦壓顯現特征是先出水后來壓(壓架)。

當亞關鍵層Ⅰ和老頂發生同步破斷時,工作面頂板會在強大礦山壓力作用下沿煤壁發生整體切落,從而更容易造成壓架事故,隨后洛河組離層水在靜水壓力作用下,沿裂隙帶巖層斷裂線對圍巖進行軟化、沖蝕、延擴通道,形成一條直線型主導水通道(圖5(b)),表現的礦壓顯現特征是先壓架后出水。該種情況對生產最為不利,多與支架的支撐能力不足有關。

4 結論

(1)21303工作面上覆的厚硬巖層亞關鍵層Ⅰ是控制導水裂隙帶發育高度的關鍵巖層,工作面導水裂隙帶的最大發育高度為185 m。

(2)工作面水位開始下降的周期與亞關鍵層Ⅰ的破斷周期相關,工作面出水滯后1～2個老頂周期來壓步距。工作面短期內反復出水的周期與老頂周期來壓步距有關。工作面出水多發生在老頂周期來期間,且均伴隨強礦壓顯現。

(3)當亞關鍵層Ⅰ與老頂不同步破斷時,主導水通道呈折線型貫通工作面;當亞關鍵層Ⅰ與老頂同步破斷時,主導水通道呈直線型貫通工作面,此時容易引發壓架事故。

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Analysis of the rule of water inflow into fully-mechanized top coal caving mining workface with rich water roof and the broken feature of key stratum at higher position

Liu Qianjin1,Huo Yongjin2,Lou Jinfu1
(1.Department of Mining and Design,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Zhongtian Hechuang Energy Co．,Ltd．,Ordos,Inner Mongolia 016105,China)

This paper aims at the problems happened frequently of water inflow and support crushing in conditions of height-limit mining in the fully-mechanized top coal caving mining workface of very thick coal seam with rich water roof in Cuimu Coal Mine,the relationship between the key stratum breaking and water inflow into workface is analyzed comprehensively.The following conclusions show that the development height of water flowing fractured zone in No.21303 workface is controlled by the No.1 sub-key stratum in hard rock strata at higher position,and the maximum development height is 185m.The water inflow is periodic,and the periodicity is related to the periodic break of the No.1 sub-key stratum,and the water inflow can be divided into two kinds:the linear and mansard.The strong strata behaviors follows during the initial and periodic water inflow.

fully-mechanized top coal caving mining workface,rich water roof,key stratum at higher position,water flowing fractured zone,water inflow period

TD822

A

劉前進(1988－),河南鹿邑人,碩士研究生,主要從事采煤方法和礦山壓力方面的研究。

(責任編輯 張毅玲)

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAB13B02－02)