于佳佳 程玉印 王曉振 董軍業(yè)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

祁東礦6163工作面松散承壓含水層下安全回采研究?

于佳佳 程玉印 王曉振 董軍業(yè)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008)

受松散承壓含水層影響,祁東煤礦曾多次發(fā)生工作面壓架突水事故,而具有類似含水層賦存特征的6163工作面在里段開采過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了安全回采,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析,從基巖厚度、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征和頂板破斷形態(tài)等方面與同煤層且發(fā)生過(guò)壓架突水事故的6130工作面進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果表明:6163工作面里段基巖厚度大,主關(guān)鍵層與煤層間距大是其未發(fā)生壓架突水事故的主要原因;初采期工作面的調(diào)斜開采使頂板巖層能夠產(chǎn)生區(qū)域性破斷、來(lái)壓,一定程度上降低了來(lái)壓強(qiáng)度,也是實(shí)現(xiàn)安全開采的有利因素。

松散承壓含水層 綜采工作面 壓架突水 覆巖結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵層

祁東煤礦受松散承壓含水層的影響自投產(chǎn)以來(lái)曾在多個(gè)工作面發(fā)生過(guò)壓架突水事故,造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失,首采區(qū)首采面尤為突出。許多學(xué)者對(duì)其壓架突水機(jī)理進(jìn)行過(guò)研究,其中許家林教授深入分析了松散承壓含水層下采煤發(fā)生壓架突水事故的原因,并提出有效的防治方法;王曉振等通過(guò)模擬手段研究了不同組合特征的覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)松散承壓含水層下采煤壓架突水的影響。

祁東6163工作面作為南部采區(qū)首采工作面,頂部松散含水層厚度平均達(dá)50 m,含水豐富,水壓高達(dá)4～4.5 MPa,對(duì)工作面回采威脅很大。然而在里段開采的過(guò)程中并未發(fā)生類似其他工作面的壓架突水事故。本文結(jié)合祁東煤礦6163工作面的開采條件,分析其里段實(shí)現(xiàn)安全回采的原因,為南部采區(qū)后續(xù)工作面順利開采提供參考和借鑒。

1 6163工作面里段基本條件

祁東煤礦南部采區(qū)位于祁東井田南翼,6163工作面為南部采區(qū)首采面,面長(zhǎng)約250 m,里段走向長(zhǎng)約198 m,起止標(biāo)高－561～－632 m。平均煤厚1.9 m,傾角平均為17°,直接頂為10 m的厚泥巖,巖性較為穩(wěn)定。里段機(jī)巷基巖厚度207.2～227 m,風(fēng)巷基巖厚度155.1～159.6 m,機(jī)巷、風(fēng)巷呈負(fù)偽斜布置,風(fēng)巷超前機(jī)巷約45 m,在初采階段工作面中下部需要甩采,甩采45～50 m后開始正常平推。工作面上方第四系松散含水層(簡(jiǎn)稱四含)厚度大,水量豐富。圖1為6163工作面里段平面圖。

圖1 6163工作面里段情況

2 工作面開采期間礦壓實(shí)測(cè)

根據(jù)實(shí)測(cè),6163工作面下部老頂2014年3月31日初次來(lái)壓,中部老頂4月3日初次來(lái)壓,上部老頂4月7日初次來(lái)壓。工作面過(guò)長(zhǎng)及機(jī)頭大距離甩采導(dǎo)致壓力顯現(xiàn)主要集中在中下部區(qū)域,隨機(jī)頭甩采距離加大,中下部頂板首先破斷,并逐漸向中上部發(fā)展,最終老頂初次來(lái)壓呈現(xiàn)分區(qū)域破斷。工作面周期來(lái)壓步距平均約21.9 m,來(lái)壓時(shí)支架阻力平均6996 k N,非來(lái)壓時(shí)支架阻力平均5478 k N,來(lái)壓動(dòng)載系數(shù)1.28,由實(shí)際觀測(cè)得知老頂在周期來(lái)壓時(shí)沿傾斜方向也表現(xiàn)出分區(qū)域破斷,來(lái)壓期間支架工作阻力并不大,與以往祁東煤礦礦壓顯現(xiàn)相比相對(duì)緩和。

3 6163工作面里段實(shí)現(xiàn)安全回采原因分析

通過(guò)對(duì)比祁東礦已發(fā)生壓架突水的6130工作面來(lái)分析6163工作面在高水壓松散含水層下實(shí)現(xiàn)安全回采的原因。

3.1 含水層賦存條件

6130工作面上方四含主要由砂、黏土質(zhì)砂、礫石等組成,富水性較強(qiáng),滲透性好,四含水壓力2.8～3.4 MPa,部分區(qū)域含水較豐富。

6163工作面里段上方存在厚度平均達(dá)50 m的第四含水層組,四含巖性復(fù)雜,主要由礫石、砂礫、砂質(zhì)黏土、中細(xì)砂及黏土等組成,富水性極強(qiáng),水壓高達(dá)4～4.5 MPa,高于6130工作面,因此危險(xiǎn)性更大,滿足發(fā)生壓架突水事故的松散承壓含水層賦存條件。

3.2 覆巖結(jié)構(gòu)條件

松散承壓含水層下采煤時(shí),基巖厚度是決定覆巖是否發(fā)生整體破斷的重要因素。

表1 6130和6163工作面關(guān)鍵層位置判別情況

表1為6130和6163工作面覆巖柱狀及關(guān)鍵層判別情況對(duì)比。6130工作面上方松散層厚度370 m,煤厚平均1.7 m,本鉆孔揭露基巖厚度為57 m。工作面上方共有3層硬巖層,其中第一層為距離61煤層25.4 m的主關(guān)鍵層,控制上覆至地表整個(gè)巖層的移動(dòng)。第三層距離61煤層10.7 m的硬巖層為亞關(guān)鍵層,控制主關(guān)鍵層以下巖層的移動(dòng)狀態(tài)。松散承壓含水層具有均勻傳遞上覆載荷的作用,開挖過(guò)程中基巖頂界面上的載荷基本保持恒定,因此上覆巖層及松散層的重量全部加載到7.5 m厚的主關(guān)鍵層上,導(dǎo)致了關(guān)鍵層復(fù)合破斷,同時(shí)溝通四含水,工作面出現(xiàn)壓架突水事故。

6163工作面上方松散層厚度為422 m,254號(hào)鉆孔揭露的基巖厚度為227 m,由表1知,工作面上方有3層硬巖層,第一層距離61煤層工作面56.9 m為主關(guān)鍵層,位于煤層10倍采高以外,該主關(guān)鍵層距離其下方硬巖層的亞關(guān)鍵層26.6 m,而亞關(guān)鍵層距離61煤層22.33 m。

基巖厚度增加會(huì)使厚硬巖層層數(shù)增加,以及厚硬巖層間距變大,硬巖層的懸露跨距差值隨之增大,硬巖層間懸露跨距差值的大小對(duì)于覆巖的破斷形式有重要影響,差值較小時(shí)易發(fā)生關(guān)鍵層復(fù)合破斷。圖2為6130工作面和6163工作面硬巖層結(jié)構(gòu)示意圖,開采尺寸均為L(zhǎng)、巖層破斷角θ均為80°。

圖2 6130和6163工作面硬巖層結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知,兩工作面硬巖層懸露跨距的差值計(jì)算式為:

式中:ΔL1、ΔL2——兩工作面硬巖層懸露跨距的差值的一半;

L1、L3——主關(guān)鍵層懸露距離;

L2、L4——亞關(guān)鍵層懸露距離;

θ——巖層破斷角;

L——開采尺寸;

H1、H2、H3、H4——關(guān)鍵層距煤層距離。

將兩個(gè)工作面的參數(shù)代入式(1)和式(2),得到6130工作面硬巖層懸露跨距的差值3.3 m; 6163工作面里段硬巖層懸露跨距的差值7.7 m。

對(duì)比得知,兩工作面硬巖層懸露跨距的差值ΔL2大于ΔL1,說(shuō)明在相同開采尺寸時(shí),6130工作面硬巖層距煤層較近,主關(guān)鍵層懸露跨距L1較大,且硬巖層間距離較近,在高承壓水作用下易發(fā)生因關(guān)鍵層復(fù)合破斷引起的壓架突水事故;ΔL2較大表明6163工作面硬巖層距煤層相對(duì)較遠(yuǎn),硬巖層間距相對(duì)較遠(yuǎn),其主關(guān)鍵層懸露距離L3較小。同時(shí)在高承壓水載荷的作用下,6163工作面覆巖結(jié)構(gòu)使得巖層在破斷的過(guò)程中能夠逐層破斷,不容易發(fā)生整體破斷。

3.3 工作面頂板破斷形式

6130和6163工作面切眼處頂板周圍支撐結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。6130工作面面寬為126 m,工作面在回采過(guò)程中是正常平推,工作面來(lái)壓時(shí)頂板整體破斷,來(lái)壓強(qiáng)度大,見圖3(a)。

圖3 6130和6163工作面切眼處頂板周圍支撐結(jié)構(gòu)示意圖

6163為面寬250 m的長(zhǎng)工作面,作為采區(qū)的首采面,煤層頂板屬于四周均固支的結(jié)構(gòu),見圖3(b),工作面里段初采階段機(jī)頭的大幅度調(diào)斜開采導(dǎo)致頂板初次破斷前呈現(xiàn)“梯形板”,且隨著機(jī)頭甩采距離的加大,工作面中下部老頂首先出現(xiàn)損傷裂縫,并逐步向中部發(fā)展,使老頂由工作面下部到上部逐一破斷,并沿工作面傾斜方向上形成鉸接結(jié)構(gòu),相互之間的咬合作用力避免了老頂整體破斷,同時(shí)一定程度上降低了工作面的來(lái)壓強(qiáng)度。工作面初次來(lái)壓由下到上呈現(xiàn)分區(qū)域性,降低老頂因整體破斷發(fā)生失穩(wěn)的可能。

3.4 支架的合理選型

支架阻力的提高也是實(shí)現(xiàn)安全回采的原因之一。松散承壓含水層下采煤,關(guān)鍵層有復(fù)合破斷可能時(shí)應(yīng)選取合理的支架型號(hào),當(dāng)關(guān)鍵層出現(xiàn)失穩(wěn),上覆巖層重量將全部加載到支架上,若支架工作阻力不足,很可能導(dǎo)致壓架突水事故。6130工作面共有83架ZY4000/09/21型掩護(hù)支架,經(jīng)計(jì)算發(fā)生壓架突水事故時(shí)所需支架阻力應(yīng)為6090～9135 k N,所用支架型號(hào)不能滿足實(shí)際工作阻力;根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu),基于垮落帶法的支架阻力計(jì)算得6163工作面里段的最大阻力7221 k N,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)支架來(lái)壓最大阻力為7226 k N,大部分支架來(lái)壓時(shí)工作阻力均小于7200 k N。據(jù)此,6163工作面共布置130架ZY7200/12/24型掩護(hù)支架,6架ZYG7200/13/ 28型掩護(hù)端頭支架,該型號(hào)支架能有效支撐頂板,并有助于里段實(shí)現(xiàn)安全回采。

4 結(jié)論

(1)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在松散承壓含水層條件下6163工作面里段的基巖厚度大、硬巖層間距大、主關(guān)鍵層距離開采煤層較遠(yuǎn)等覆巖結(jié)構(gòu)特征是其未發(fā)生壓架突水事故的主要原因。

(2)長(zhǎng)工作面調(diào)斜開采使頂板巖層分區(qū)域破斷有效避免了老頂整體來(lái)壓,同時(shí)降低來(lái)壓強(qiáng)度,使工作面里段得以安全開采。

(3)6163工作面選擇的支架合理,能有效支撐頂板。

[1] 許家林,陳稼軒,蔣坤.松散承壓含水層的載荷傳遞作用對(duì)關(guān)鍵層復(fù)合破斷的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(4)

[2] 童世杰.任樓煤礦7240(上)南工作面突水潰砂原因及防范對(duì)策[J].中國(guó)煤炭,2014(8)

[3] 王曉振,許家林,朱衛(wèi)兵等.松散承壓含水層特征對(duì)其載荷傳遞特性的影響研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2014(4)

[4] 林青.祁東煤礦7130綜采面壓架突水原因分析[J].中國(guó)煤炭,2012(12)

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Study on safe mining under unconsolidated confined aquifer in No.6163 working face in Qidong Coal Mine

Yu Jiajia,Cheng Yuyin,Wang Xiaozhen,Dong Junye
(School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Affected by the unconsolidated confined aquifer,supports break-off and water inrush accidents had ever happened repeatedly in Qidong Coal Mine while the inside section of No. 6163 working face with the similar occurrence characteristics of aquifer occurrence had accomplished the safe mining.The comparative study compared with No.6130 working face where supports break-off and water inrush accidents had ever happened was conducted from several respects like the bedrock thickness,the structure features of key strata and the fracture form of roof,the results showed that the bedrock thickness of inside section of No.6163 working face was big,the primary reason of safe mining was that the space between mine key strata and coal seams was bigger.The adjusted inclination mining during primary mining face forced the roof to fracture and weight regionally,which reduced the intensity of roof weighting and became a favorable factor for safe mining.

unconsolidated confined aquifer,longwall coal face,support break-off and water inrush,overlying strata structure,key strata

TD823

A

于佳佳(1988－),男,安徽阜陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向?yàn)閹r層移動(dòng)與綠色開采。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51404246),江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140205)