采空區頂板“三帶”研究在煤礦安全生產中的作用探析

賈繼平,葉洋洋,白康康,梁思哲,李 濤

(1.陜西陜煤黃陵礦業有限公司,陜西 延安 727307;2.陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦,陜西 延安 727307;3.陜西瑞能煤業有限責任公司,陜西 延安 727307)

0 引言

采空區頂板“三帶”是冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的簡稱,是煤層開采后,采空區上方巖層原始應力的平衡狀態被破壞后,應力重塑再達到新平衡的一個復雜的過程[1-3]。隨著開采的進行,沿采空區上方自下而上所形成的3個具有不同變形特征的分帶。其作為煤層開采后所形成的一個特殊產物,很大程度上會成為誘發瓦斯、水害、頂板等事故的因素之一,故開展“三帶”研究是防控上述災害風險、優化治災設計參數和保障安全生產的良策,對煤礦安全生產具有十分重要的現實作用和意義[4-6]。結合工作實踐,以開展“三帶”研究工作的必要性為目的,探討了“三帶”研究的主要內容及研究所用技術方法,分析了“三帶”研究在煤礦安全生產中的重要作用,并提出了“三帶”研究注意事項及改進建議,以為業內同仁深入“三帶”研究工作認識及深化其工作研究提供一定參考。

1 研究內容及方法

1.1 開展“三帶”研究工作的必要性

據統計,目前我國將近90%以上煤炭是井工開采,而采空區上覆巖層“三帶”是限于井工礦山礦物開采后而形成的巖層移動形態,受限于地下開采,煤層開采過程中會一直伴隨有頂板、瓦斯、上覆水體等災害風險,而“三帶”的存在一定程度上會誘發上述災害的發生[7-9]。當煤層開采后,“三帶”在空間上會為采空區遺留煤及所采煤層頂底板臨近煤層瓦斯提供涌存空間,而加大工作面回采期間上隅角瓦斯超限的風險,同時在“三帶”高度相對發育情況下,甚至有可能導通地表及煤層覆巖含水層,成為地表水、含水層水潰涌井下的導水通道,而造成水害事故發生。基于上述,開展“三帶”研究,確定“三帶”發育高度范圍,才是解決上述問題的有效舉措,而實踐也證明,“三帶”研究可為礦井高位瓦斯抽采層位選擇、抽采鉆孔終孔孔位確定、頂板防(隔)水煤柱確定及頂板控制提供重要的基礎技術參數,尤其將高位鉆孔布置在采空區上覆巖層裂隙帶內,顯現了最佳的瓦斯抽采效果,同時“三帶”研究成果也為礦井地質及水文地質預測預報提供了重要的參考依據。故此,開展“三帶”研究十分有必要。

1.2 “三帶”研究的主要內容

基于單一的理論分析或與現場實測相結合的技術方法,對覆巖破壞特征和規律進行研究,綜合分析確定采空區頂板“三帶”發育范圍。通過采厚對比得出相應冒(裂)采比,為礦井水害防治和瓦斯治理提供必要的基礎技術參數。

1.3 “三帶”研究技術方法分析

圍繞采空區頂板“三帶”研究這一重要課題,國內外學者進行了大量的研究,概括來講主要包括理論分析和現場實測兩方面。其中理論分析主要以某一理論和經驗公式計算、數值模擬、仿真模擬等方法為主,通常是基于一定理論研究或采用專用軟件技術,在一定假設和簡化基礎上得出的理論結果,其適用條件具有一定局限性,與工程實踐誤差較大,需與現場工程施工結合使用。現場實測方面主要以鉆孔電視法、微震監測、鉆孔深部基點法、鉆孔沖洗液法,超聲成像及數字測井法、超聲波穿透法,鉆孔CT及電法、井下仰孔分段注水法等為主[10-12]。上述方法本身技術要求高,影響因素多,誤差一般較大,且費用較高,因此在實際應用中一般將其用作綜合研究中的輔助研究方法。而井下仰孔分段注水法憑借技術方法簡單、監測速度快、測試精度高等優點,目前已成為“三帶”研究常用技術方法且廣泛應用于高位瓦斯抽放孔優化定位,水體安全采煤等領域。

2 “三帶”研究在煤礦安全生產中的重要作用

2.1 支撐瓦斯抽采層位優選

瓦斯作為煤層中的一種伴生氣體,具有比空氣輕、易擴散、強滲透、易燃燒、易爆炸等特性,相對低瓦斯礦井而言,高瓦斯礦井生產過程中不僅受本煤層瓦斯含量高的影響,還受所采煤層頂底板臨近煤層瓦斯影響,且隨著煤層開采,采空區遺留煤及所采煤層頂底板煤層中的瓦斯會通過各種途徑涌存于采空區覆巖地層中形成的裂隙中,如不采取有效措施,勢必會造成采空區瓦斯積聚、超限甚至發生瓦斯事故。對此,高瓦斯礦井都建有瓦斯抽采系統,且實施了高位鉆孔瓦斯抽采技術,但如何保證最佳的抽采效果,其實確定最佳的瓦斯抽采層位是關鍵,而“三帶”研究成果可為優選瓦斯抽采層位提供數據和技術支撐,如黃陵某礦以“三帶”實測的裂隙帶范圍18.7～70 m之間裂隙最為發育的21～49 m為參照進行高位瓦斯抽采層位及鉆孔設計,取得了最佳的抽采效果。

2.2 有效預防礦井水害事故

對于井工開采而言,除受老空水、底板承壓水影響外,受地表水、覆巖含水層水的影響也不可忽視,通常發生地表水潰入井下或頂板突水事故,往往與開采形成的導水裂隙帶導通上部水體有關,究其原因是在水體下開采時,未按照《煤礦防治水細則》相關規定開展冒落帶、導水裂隙帶的實測工作,未結合導水裂隙帶發育高度等參數設計防隔水煤(巖)柱尺寸,反之,在開采前按規定開展導水裂隙帶實測工作,進行專項開采設計論證,留足防隔水煤(巖)柱,方可保證安全可采。因此,開展“三帶”研究,實測冒落帶、導水裂隙帶發育高度可為水體下開采留設防隔水煤(巖)柱提供重要的技術參數,對預防頂板水害事故是非常重要的。

2.3 利于加強頂板控制

受限于特殊的地下開采環境,頂板管理一直是煤礦安全管理的重中之重。當煤層開采后,在礦山壓力的作用下,采空區覆巖會發生垮落、斷裂、彎曲、巖移等復雜破壞運動,對上覆巖層破壞影響除巖層本身力學性質、煤層埋深、傾角及推進速度等因素外,采高也是影響其的一大主因,冒落帶與裂隙帶的總厚度與采高基本上成正比關系,采高越大,采出的空間越大,必然導致采場上覆巖層破壞嚴重。生產實踐和研究表明,采煤工作面支架上受到的力遠遠小于其上覆巖層的重量。只有接近煤層的一部分巖層的運動才會對工作面附近的支承壓力和工作面支架產生明顯的影響。所謂采煤工作面礦山壓力控制,也就是對這部分巖層的控制。這部分巖層大約相當于上述三帶中的冒落帶和裂隙帶的總厚度,一般為采高的6～8倍。綜上,冒落帶和裂隙帶礦山壓力控制是頂板管理的重點。

2.4 其他

綜上,“三帶”研究成果不僅可以作為優選高位瓦斯抽采層位、確定防隔水煤(巖)柱尺寸及頂板控制的重要技術依據,也可作為礦井地質及水文地質預測預報的參考依據。同時,可為與之地質條件相鄰的礦井安全開采提供一定參考和借鑒。

3 “三帶”研究注意事項及改進建議

近多年,隨著“三帶”研究技術的快速發展,其已廣泛應用于煤礦生產實踐中,且對煤礦安全生產發揮了重要的技術支撐作用,但在以下方面還需加以注意和改進。

3.1 理論計算采厚取值差異

“三帶”高度理論計算通常采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中的經驗公式,其中對于采厚取值,存在平均采厚和最大采厚取值的差異問題。鑒于采高因素對上覆巖層破壞影響很大,故以最大采厚取值進行冒落帶、裂隙帶高度計算比較合理。

3.2 冒落帶高度實測難度大

確定冒落帶的高度主要用于確定裂隙帶的下界,避免鉆孔施工過程中誤穿造成事故和避免高位抽采鉆孔受工作面通風在冒落帶的影響降低抽采濃度和抽采效率。由于冒落帶高度探測難度大,風險性又比較大,一般都是按照經驗公式進行推算,而其結果可能與工程實踐存在較大誤差,故在鉆孔施工設計時應充分考慮冒落帶高度,意在施工中避開冒落帶而直接鉆入裂隙帶降低施工風險,采用井下仰孔分段注水法和鉆孔窺視技術對冒落帶發育高度范圍進行綜合確定。

3.3 “三帶”發育影響因素較多

“三帶”高度及其分布特征十分復雜,受煤層采厚、煤層傾角、采礦方法、頂板管理、上覆巖層結構和巖性條件、基巖厚度、煤層埋深等眾多因素控制影響。不同區域裂隙帶高度存在差異,礦井在后續生產過程中應繼續開展采空區上覆巖層裂隙帶探測工作。

4 結語

“三帶”研究在煤礦安全生產中有著重要的作用,能夠為煤礦安全開采設計及防控災害風險提供重要的技術支撐。主要體現在高位瓦斯抽采關鍵層位優選、預防頂板水害防隔水煤(巖)柱確定、頂板控制及地質預測預報等方面提供基礎技術參數和依據。因此,開展“三帶”研究對保障煤礦安全生產是十分必要的。