郭 莊

(皖北煤電集團祁東煤礦,安徽省宿州市,234000)

祁東礦7121工作面壓架突水原因及災(zāi)害防治?

郭 莊

(皖北煤電集團祁東煤礦,安徽省宿州市,234000)

祁東礦7121工作面在高水壓松散承壓含水層下開采時發(fā)生了嚴重的壓架突水事故,造成巨大經(jīng)濟損失,嚴重影響了礦井采掘接替。分析了引發(fā)7121工作面壓架突水事故的根本原因。根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的原因,通過采取采前危險區(qū)域預(yù)測、頂板預(yù)裂爆破、支護質(zhì)量監(jiān)測、推進速度調(diào)控等措施,成功避免了壓架突水事故,扭轉(zhuǎn)了祁東煤礦采掘接替的被動局面。

松散承壓含水層 壓架突水 采前危險區(qū)域預(yù)測 頂板預(yù)裂爆破 質(zhì)量監(jiān)測推進速度調(diào)控

祁東煤礦地處安徽省宿州市東南,距宿州市約20 km,隸屬安徽皖北煤電集團有限責(zé)任公司。礦井設(shè)計產(chǎn)量1.5 Mt/a。祁東煤礦井田內(nèi)煤系地層普遍為厚350 m左右的第四系巨厚松散層覆蓋,該松散層底部存在一層以非膠結(jié)粗顆粒的砂礫、礫石為骨架組成的承壓含水層,厚度為35～55 m,靜水水壓達3～4 MPa,對煤礦安全開采造成嚴重威脅。祁東礦自投產(chǎn)以來,相繼發(fā)生多起壓架突水事故,對礦井的采掘接替造成了很大影響,并因此帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

本文以祁東煤礦7121工作面壓架突水災(zāi)害案例為工程背景,針對該工作面開采條件,結(jié)合現(xiàn)有研究,對7121工作面壓架突水災(zāi)害的原因進行分析,并提出壓架突水災(zāi)害防范措施,為祁東煤礦同類條件下工作面進行壓架突水災(zāi)害的防治提供參考。

1 工作面基本開采條件

7121工作面走向長平均1129 m,傾向?qū)?29 m,平均采高2.4 m,平均傾角10°。工作面中部4?！?3＃支架為ZY5000/13/28型液壓支架;上下端頭為ZYG5000/13/28型支架,共6架,額定工作阻力均為5000 k N。工作面埋深439～498 m,最小防水煤巖柱高度約69 m,松散層厚度約370 m,承壓含水層厚度約25 m。煤層直接頂為深灰色泥巖,厚度平均2.6 m,單向抗壓強度為24.3～40.6 MPa;老頂為灰色細砂巖,厚度平均5.9 m,單向抗壓強度平均為60.8 MPa;底板為深灰色泥巖,厚度平均3.3 m,單向抗壓強度為22.1～24.2 MPa。

2 工作面頂板來壓及壓架情況

7121工作面自切眼回采至2009年11月25日,共出現(xiàn)19次周期來壓,平均來壓步距約17 m。2009年11月18日中班工作面開始出現(xiàn)來壓跡象,推進至357.6 m處,老頂突然來壓,1?！?8＃支架處煤壁片幫嚴重,11月24日夜班工作面1?！?＃支架、30?！?5＃支架處煤壁片幫嚴重,之后1＃～45＃支架來壓較為劇烈,第11＃、15＃、44＃支架壓力達到40 MPa,41＃～70＃支架活柱明顯下縮,最終1?！?＃支架壓死,機頭電機被壓壞,中下部區(qū)域人員無法通行。壓架造成運輸機齒箱開裂,1?！?＃支架側(cè)護板被切開,機頭齒箱連接螺絲全部切斷。壓架造成工作面突水量為50 m3/h,壓架突水造成直接經(jīng)濟損失約117萬元,且因停采嚴重影響了礦井的采掘計劃,生產(chǎn)一度陷入被動局面。

3 工作面壓架突水原因分析

為了分析壓架突水原因,在壓架區(qū)域附近的巷道施工了頂板巖性結(jié)構(gòu)探測孔,取芯結(jié)果如圖1所示,71煤頂板25.97 m范圍內(nèi)均為砂巖,在距離71煤頂板10.82 m處存在一層真厚度達11.34 m的中砂巖,為覆巖主關(guān)鍵層,整體性很好,容易形成大面積懸頂。在含水層的載荷傳遞作用下,此類覆巖條件的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生整體破斷,易導(dǎo)致砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)。導(dǎo)水裂隙因覆巖的整體破斷溝通含水層,這是導(dǎo)致采場壓架突水事故發(fā)生的主要原因。

圖1 7121工作面壓架位置附近頂板巖性柱狀圖

一旦覆巖發(fā)生整體破斷,作用在其支架上的載荷明顯增大,而7121工作面基巖最小厚度約69 m,選用ZY5000/13/28型支撐掩護式液壓支架,支架最大阻力為5000 k N,難以支撐整體破斷失穩(wěn)的頂板,因此引發(fā)壓架事故的發(fā)生。

4 壓架突水災(zāi)害防治對策

4.1 采前危險區(qū)域預(yù)測

壓架突水災(zāi)害發(fā)生的根本原因是由于覆巖關(guān)鍵層在含水層災(zāi)害傳遞作用下發(fā)生了復(fù)合破斷,因此在工作面布置設(shè)計之前,就應(yīng)判斷哪些區(qū)域會發(fā)生覆巖關(guān)鍵層的復(fù)合破斷。主要的方法是收集設(shè)計區(qū)域內(nèi)地質(zhì)鉆孔柱狀,可以在工作面巷道內(nèi)間隔一定距離施工頂板巖性探測鉆孔并取芯,然后根據(jù)鉆孔柱狀巖層分布情況,對關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)進行判別,如果關(guān)鍵層存在復(fù)合破斷的危險,那么工作面在回采過程中,就可能發(fā)生壓架突水災(zāi)害。通過在7121工作面剩余段進行頂板取芯判斷,覆巖存在整體破斷危險,即存在壓架突水危險。因此需要提前采取措施,避免再次發(fā)生壓架突水事故。

4.2 頂板預(yù)裂爆破弱化

采取頂板預(yù)爆破措施是針對頂板堅硬巖層實施的一種積極主動的手段,通過預(yù)裂爆破,弱化距離煤層最近的那層關(guān)鍵層,降低其強度,使之不再成為覆巖中的主關(guān)鍵層,進而降低覆巖整體破斷致災(zāi)危險性?；诖?結(jié)合7121工作面的開采條件,在該工作面機巷和風(fēng)巷實施頂板預(yù)裂爆破。爆破前后效果對比如表1所示。

表1 7121工作面預(yù)爆破前后來壓特征對比分析

由表1可得,頂板超前預(yù)爆破之后,支架阻力、來壓持續(xù)長度、周期來壓步距等均有明顯減小,說明頂板預(yù)爆破對弱化堅硬頂板和釋放頂板壓力的作用明顯,可有效避免壓架災(zāi)害發(fā)生。

4.3 支護質(zhì)量監(jiān)測

保證初撐力是能夠有效控制頂板大幅度下沉的關(guān)鍵所在。在工作面推進過程中,要求及時升架并使初撐力到位,及時跟機移架,及時使用護幫板。要求泵站壓力不低于30 MPa,工作面支架的初撐力達到27 MPa;移架滯后采煤機后滾筒距離小于10個支架寬度。以7121工作面為例,在開采過程中,要求保證泵站壓力達到規(guī)程規(guī)定的(不小于30 MPa)的基礎(chǔ)上,對初撐力達不到27 MPa的支架采取二次補液操作,必要時安排專門的二次補液工人檢查和完成該項操作工序。

4.4 推進速度調(diào)控

在工作面開采過程中,如果不受地質(zhì)開采條件的影響,開采速度是最容易進行調(diào)控的因素。大量的實測、理論與實驗研究均表明,工作面推進速度的改變對采場圍巖應(yīng)力分布及支架與圍巖平衡關(guān)系有顯著的影響。從本質(zhì)上講,推進速度的改變主要影響了頂板垮落和裂縫發(fā)育的充分程度。直接頂由于推進速度減慢,破碎程度會增加,在緩慢推進的前提下,直接頂可以充分垮落充實采空區(qū),在老頂斷裂時,冒落矸石可以及時有效地發(fā)揮承載作用,減小支架受力,降低頂板來壓強度。若來壓非常劇烈,發(fā)現(xiàn)支架有明顯下縮,應(yīng)盡工作面所能達到的最大速度向前推進。根據(jù)7121工作面的開采條件,推進速度應(yīng)控制在3.6～4.2 m。

5 結(jié)論

(1)松散承壓含水層的載荷傳遞作用下,一定覆巖條件的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)發(fā)生整體破斷,導(dǎo)致覆巖砌體梁結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn),導(dǎo)水裂隙溝通含水層是7121工作面發(fā)生壓架突水事故的根本原因。

(2)基于壓架突水災(zāi)害的發(fā)生原因,采取采前危險區(qū)域預(yù)測、頂板預(yù)裂爆破、支護質(zhì)量監(jiān)測、推進速度調(diào)控等措施,成功避免了后續(xù)開采中的壓架突水事故,實現(xiàn)了工作面的安全回采,累計安全推進695 m,安全回采煤炭約28.8萬t。

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Causes of support crushing and water inrush at 7121 working face in Qidong Coal Mine and its control

Guo Zhuang
(Qidong Coal Mine,Wanbei Coal-Electricity Co．,Ltd．,Suzhou,Anhui 234000,China)

The severe accident of support crushing and water inrush happened at 7121 working face in Qidong Coal Mine during driving the unconsolidated confined aquifer under high hydraulic pressure,causing a great financial loss and seriously influencing the coal mine excavation．The primary causes were analyzed and the corresponding measures were taken to prevent the support crushing and water inrush accident via dangerous region prediction before advancing,presplitting blast of roof,quality monitoring on support,control over advancing speed,and so on．Ultimately,the passive situation of excavation was reversed．

unconsolidated confined aquifer,support crushing and water inrush,dangerous region prediction before advancing,pre-splitting blast of roof,quality monitoring,control over advancing speed

TD745

A

郭莊(1968－),男,安徽濉溪縣人,工程師,現(xiàn)任皖北煤電股份有限公司祁東煤礦采煤礦長,從事煤礦生產(chǎn)與技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國家科技支撐計劃項目(2012BAK04B06)