特厚煤層綜放開采出水壓架預警機制及防治體系?

李正杰王之永王利峰方志林

(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.陜西永隴能源開發建設有限責任公司崔木煤礦,陜西省寶雞市,721000)

特厚煤層綜放開采出水壓架預警機制及防治體系?

李正杰1王之永2王利峰2方志林2

(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.陜西永隴能源開發建設有限責任公司崔木煤礦,陜西省寶雞市,721000)

為了有效防治綜放開采出水壓架事故,以崔木煤礦綜放工作面的礦壓、水文、支架等為研究對象,得到了包括工作面壓力上限、長觀孔水位降速、支架異常狀態、煤壁片幫和煤炮宏觀表現、瓦斯釋放速率突增等出水壓架前兆信息,提出了以4個主要指標、2個輔助指標為核心的出水壓架聯合預警機制,并構建了基于危險區域劃分、出水壓架預警機制和具體防治措施的壓架綜合防治技術體系。實踐結果表明,工作面不再發生壓架,實現了礦井的安全高效回采。

特厚煤層 綜放開采 出水壓架 聯合預警機制 綜合防治體系

1 研究背景

崔木煤礦位于陜西省麟游縣境內,開采侏羅系中統延安組3＃煤層,3＃煤層上覆巖層從上向下主要包含洛河組、安定組、直羅組及延安組4組。洛河組為巨厚(主要)含水層,平均層厚達308.5 m,滲透系數為0.012145～0.03354 m/d,富水性較弱。3＃煤層位于延安組中下部,在崔木井田范圍內距離洛河組底部164.4～182.6 m,煤層厚度大,平均達到16.89 m,賦存穩定,平均傾角6°。礦井設計生產能力為4 Mt/a,目前該礦正在回采21303綜放工作面。21303工作面傾向長度200 m,走向長度850 m,采高3.5 m,頂煤厚度8.5 m,選用ZF15000/21/38型支撐掩護式支架控制頂板,工作面范圍內無大的地質構造。

崔木煤礦已采21301綜放工作面在整個回采期先后發生出水事件11起,其中出水壓架事故3起,共造成140架支架被壓死,僅壓架事故影響生產高達60 d;21302綜放工作面發生出水事件8起,其中出水壓架事故達4起,220架支架被壓死,影響生產90 d,造成重大的經濟損失,并威脅井下作業人員的安全。針對工作面頻繁的出水壓架,崔木煤礦聯合天地科技股份有限公司采礦技術研究所進行科研攻關,從危險區域劃分、生產工藝改進、加強工作面管理、現場技術指導等方面制定了一系列防治措施,有效解決了出水壓架難題,并基于對礦壓、水文、覆巖結構等時空演化關系的研究,認識到了該地質條件下綜放開采覆巖結構破壞形式及出水壓架機理。

本文以現場實測和前期的研究成果為基礎,建立了出水壓架預警機制和綜合防治技術體系,對崔木煤礦后續工作面生產具有較強的指導作用,也為彬長礦區類似地質條件下綜放開采提供實踐依據。

2 出水壓架前兆信息識別

壓架事件發生前,工作面壓力、水文條件、支架狀態、煤壁片幫程度、煤炮聲變化、瓦斯釋放程度等方面與正常回采時期具有明顯的差異性,通過識別這些壓架前兆信息,提前啟動預警并采取加強管理和相應的技術改善措施,可大大降低壓架事故的發生概率。下面結合工作面實際開采規律確定可判別的前兆信息。

(1)工作面壓力或支架工作阻力達到高位預警值。壓架的前提是工作面來壓,此時支架工作阻力長時處于高位狀態。在支架安全閥不發生故障的前提下,壓架前其必然開啟卸壓。因此,以支架安全閥實際開啟值作為壓架在支架工作阻力方面的判別上限是合理的。

21302工作面支架額定工作阻力10500 k N,多次發生壓架事故,表明該支架阻力選擇偏低,其安全閥開啟值不能真正體現支架應承擔的實際載荷。而21303工作面支架(支架額定工作阻力15000 k N)沒有發生任何壓架,其阻力值滿足支護要求,來壓時支架安全閥的實際開啟值即為來壓時覆巖的動靜荷載。圖1是根據21303工作面不同來壓時記錄儀編號分別為49＃、55＃、67＃、73＃、85＃支架的礦壓數據分析曲線,各支架來壓時壓力值基本保持在13500 k N上下,因此,合理的支架工作阻力上限預警值設置為13500 k N。

圖1 21303工作面來壓時支架循環末阻力統計圖

(2)長觀孔水位降速達到最小臨界值。實踐證明崔木煤礦綜放開采壓架與出水密不可分,多數壓架事故發生之前工作面先發生出水,而水位快速下降又超前于工作面出水,圖2為21303工作面7月11日－28日的來壓出水過程,圖中豎虛線表示出水開始,豎實線表示出水結束,I、II、III1、III2、IV分別表示不同的出水階段,小圓圈表示來壓開始,由圖可知,工作面始終遵循來壓—水位下降—出水的規律。根據水位曲線,工作面發生出水期間水位降速明顯超過正常時期。因此,通過水位降速可有效判別工作面是否存在出水可能性,從而間接對壓架事件起到預警作用。

水位降速統計采用的是水位從高位到低位的差值與所用時間的比值,是單位時間內水位的平均下降速率,已有研究表明工作面出水期間平均降速與瞬間水位降速近似相等。表1統計了21303工作面歷次出水事件發生時長觀孔水位的下降速率。由表可知,水位下降速度為0.55～1.6 m/h。從安全角度考慮,需取最小水位降速0.55 m/h作為出水壓架的預警指標。

(3)支架安全閥大面積開啟,活柱下縮達到下限值。由于壓架前壓力異常大,支架安全閥開啟讓壓仍不能抑制頂板失穩,支架活柱逐漸下縮,拉架存在困難,至采煤機無法通過時認為支架被壓死,此時支架剩余活柱量極小,因此,可通過設置一活柱量下限值作為壓架發生的警戒線,當頂板來壓,支架活柱量接近這一下限值并仍有下縮趨勢時,就意味著存在壓架的可能。

圖2 工作面來壓、水位變化與出水關系曲線

表1 21303工作面歷次出水水位降速統計表

對比支架和采煤機選型配套參數,允許采煤機通過的最小支架活柱量為300 mm,根據21303工作面來壓出水期間支架不同活柱量時行人、采煤機運行、支架操作方便程度等狀況,取500 mm作為富余量,則合理的活柱量下限值應設置為800 mm。

個別支架安全閥開啟頻繁而相鄰支架狀態正常,則并不能認為是壓架發生的前兆,這是工作面支架受力不均衡引起的,隨著安全閥開啟支架的受壓下縮,相鄰支架會逐步發揮支撐效能,壓力就會得到緩和,支架趨于穩定。而壓架是頂板大面積破斷失穩的結果,因此,必然會有大范圍支架安全閥持續開啟。根據21302工作面壓架前以及21303工作面大來壓時支架安全閥開啟情況,當連續超過5臺記錄儀都達到安全閥開啟值時,說明此時工作面壓架危險性高。

(4)煤壁片幫嚴重,煤炮聲連片。工作面壓架之前始終處于來壓狀態,使得通過煤壁片幫及煤炮聲響預測壓架發生成為可能。表2為21303工作面大周期時煤壁片幫程度及煤炮聲響情況。由表2可知,歷次大周期來壓時工作面片幫較小周期更為嚴重,煤炮聲頻繁并連成片,此現象可作為出水壓架前兆信息的輔助判斷標準。

(5)瓦斯釋放速率出現突增。經觀察研究,工作面瓦斯釋放速率與礦壓顯現呈正相關關系。非來壓期間,瓦斯釋放較為平穩;工作面來壓時,瓦斯涌出量會發生突增,這是由于頂板垮落壓縮采動空間,積聚在采空區內瓦斯受擠壓排出所致。因此,可依據瓦斯涌出曲線判斷工作面是否來壓,對防治出水壓架起到輔助預警作用。

3 聯合預警機制的建立及應用

建立預警機制對工作面出水壓架防治至關重要。根據對出水壓架前兆信息的分析,可建立以大周期步距＋長觀孔水位降速＋工作面壓力上限＋支架異常狀態＋煤壁片幫、煤炮加劇＋瓦斯釋放速率突增為核心指標的聯合預警機制,以最大限度地降低出水壓架發生的機率。

以崔木煤礦21303工作面開采實踐為研究對象,該聯合預警機制的核心指標參數為:

(1)大周期步距。大周期步距取150～200 m,大周期后持續50 m。

(2)長觀孔水位降速。長觀孔水位出現下降,降速大于0.55 m/h。

(3)工作面壓力上限。連續5架支架壓力記錄儀超過13500 k N。

(4)支架異常狀態。安全閥大面積、頻繁開啟,支架活柱量接近下限值0.8 m。

(5)煤壁片幫、煤炮加劇。煤壁片幫加劇、范圍大,煤炮聲頻繁、連成片。

(6)瓦斯涌出速率出現突增。

以前4個指標為主要指標,后2個指標為輔助指標。當同時滿足主要指標時,認為工作面出水壓架風險極高,礦方必須立即采取相關的壓架防治預案,如停止放煤、加快推進,保證初撐力和支架狀態,做好抽排水準備等。

通過在21303工作面現場實踐,該預警機制符合工作面實際出水、來壓規律,對防治出水壓架起到良好的預警作用。

4 壓架綜合防治技術體系及應用

壓架綜合防治技術體系全面考慮了影響壓架的客觀因素,如地質因素、開采環境、設備發展程度等,并兼顧災害預警、工作面管理、輔助防治措施等主觀因素。

(1)壓架危險區域劃分及預案。以初次來壓、見方來壓、周期來壓預測范圍以及地質構造為要素提前圈定特殊壓力顯現、特殊地質條件等具有壓架威脅的區域,針對該區域制定限厚開采預案,如不放煤區域、少放快推區域、均衡推進區域等。

制定工作面管理初步預案,包括對泵站及供液管路、支架工況及操作規范、放煤情況、超前及端頭支護等進行初步規定,并通過數值模擬等研究驗證支架支護強度選取的合理性,要求實時監測工作面來壓情況以及支架初撐力合格率,及時進行來壓預報。此外,安裝長觀孔水位監測系統實時監測洛河組水位變化,起到出水預警及研究作用。

(2)出水壓架預警機制。做好災害預警工作,建立完善的出水壓架預警機制。

(3)壓架防治措施。合理的設備選型及開采參數確定,包括對支架額定阻力、設備能力、采放高度、工作面長度等參數的合理確定,以設備的高可靠性和開采的協調性為指導原則。

提高工作面管理水平,尤其是對支架初撐力、架形、設備的使用與維護、頂板管理等方面,采取精細化管理思路,注重細節管理。

必要的輔助防治措施,如深孔預裂爆破處理堅硬頂板超前卸壓、泄水孔預抽排水、高抽巷解決瓦斯超限等。

具體的防治體系構架如圖3所示,防治的主線為中間虛線框,兩側為具體措施。

該綜合防治技術體系已在21303工作面及21305工作面應用實施,已累計推進1600 m,均沒有發生任何壓架事故,高地壓、富含水層等復雜地質條件都不再形成災害,工作面回采時支架整體狀態良好,日進尺8刀,日產煤15000 t,實現了礦井的首次達產和安全高產高效開采。目前,崔木煤礦仍以此防治體系為安全回采的根本指導思路。

圖3 綜放開采出水壓架綜合防治體系構架

5 結論

(1)依據對崔木煤礦出水壓架時礦壓、水文、覆巖結構等相關規律的研究并結合現場實測,提出以“大周期步距＋長觀孔水位降速＋工作面壓力＋支架狀態＋煤壁、煤炮情況＋瓦斯釋放速率”為核心指標的聯合預警機制,并在現場進行應用。

(2)從壓架危險區域劃分、出水壓架預警機制、壓架綜合防治技術措施等主、客觀角度建立了壓架綜合防治技術體系,該技術體系在崔木煤礦應用后解決了壓架難題。

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Early warning mechanism and prevention and treatment system of water bursting and supports crushing in fully mechanized caving face with extremely thick coal seam

Li Zhengjie1,Wang Zhiyong2,Wang Lifeng2,Fang Zhilin2
(1.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Cuimu Coal Mine,Shaanxi Yonglong Energy Development and Construction Co.,Ltd.,Baoji,Shaanxi 721000,China)

In order to control water bursting and supports crushing accident effectively in fully mechanized caving face,taking the rock pressures,hydrology conditions,hydraulic supports and so on in fully mechanized caving face of Cuimu Coal Mine as the study objects,some precursor information of water bursting and supports crushing were researched,including upper mining pressure limit,the descent speed of water level in long-time observation hole,abnormal conditions of supports,coal wall caving,macroscopic behavior of rock burst and a burst of gas release rate.Joint early warning mechanism of water bursting and supports crushing was put forward which took four main indicators and two auxiliary indicators as the core,and integrated control technique system with control measures was built based on classification of hazardous areas, early warning mechanism of water bursting and supports crushing.The practice results showed that supports crushing did not happen again in the mining face,and safe and high-efficiency mining was achieved finally.

extremely thick coal seam,fully mechanized caving mining,water bursting and supports crushing,joint early warning mechanism,integrated control system

TD823.97

A

李正杰(1987－),男,河南永城人,碩士,助理研究員,現在天地科技股份有限公司北京采礦技術研究所工作,主要從事礦山壓力及巖層控制研究工作。

(責任編輯 張毅玲)

集團公司科技創新基金重點項目(2013ZD002－05)