高水压工作面防治水保障技术措施

李 伟

（神东煤炭集团公司 补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

1 工作面的简介

矿井设计生产能力1.8Mt/a，矿井可采储量139.86 Mt，服务年限55.5a。11011首采工作面位于一盘区上山中部，采面切眼东南180 m是F18断层，西北侧是一盘区大巷。东北侧是未开采的11021综采工作面，西南侧是未开采的11051工作面。工作面走向长度2266.9m，切眼长度180 m，地面标高+75.7～+77.4 m，工作面标高-590.5（T）～-653.4（T）。工作面主采 21煤层，煤层厚度平均6.16 m，煤层倾角5.5°，煤层结构简单。该工作面21煤层位于山西组底部，上距沙锅窑砂岩（Ss）60.18 m、大占砂岩（Sd）4.21m，层间距厚度平均6.35m；属稳定厚煤层，煤层结构简单，以块煤为主，内生裂隙，局部方解石充填，局部含有夹矸及发育炭质泥岩伪顶。工作面顶板情况见表1。根据三维地震资料及顺槽掘进过程观测，工作面内赋存断层共计6条，其中3条对回采影响较大，回采中要对断层加强观测，提前制定措施。工作面主要充水水源为底板L8灰岩水（灰岩平均厚8.3 m），局部岩溶发育，富水性较强，上距21煤底板平均26.5 m，含水层水位标高-79.595m左右，水压7.4MPa。

表1 工作面顶底板情况

2 工作面的突水可能性评价

目前，底板突水危险性主要用突水系数法判定。突水系数是指单位厚度所能承受的水压值（水压比）：

式中：P为作用于底板的水压，MPa；M为底板厚度，m。关键在于确定临界突水系数TS（每m隔水层厚度所能承受的最大水压）。若T＜TS说明底板稳定，突水可能性小；若T＞TS说明底板不稳定，突水可能性大。临界突水系数是对矿区大量突水资料统计分析得出的，一些突水资料丰富的矿区总结的TS值，见表2。根据地质资料，11011工作面底板L8灰岩承压水压力7.4 MPa，底板平均厚度26.5 m，算出突水系数0.28，远大于焦作矿区临界突水系数0.060～0.100，因此底板突水危险性很大，开采期间要实施必要的安全保障措施。

表2 我国一些矿区的临界突水系数

3 避水灾巷道的防护措施

3.1 顺槽的防冲防倒装置

11011工作面胶带、回风顺槽长度均在2 200 m以上，两巷的单体支柱达到7 000～8 000根，如此多的单体支柱，虽可有效支护巷道（防止巷道底鼓和顶板下沉），但也会因单体支柱老化损坏、施工时无意碰撞、巷道压力突增损坏单体支柱。再者，现用单体支柱普遍较高（最低3.15 m），突然倒下时重力较大，传统的防倒设施（防倒链条强度、防倒钩强度、吊挂不合理等问题）不能有效起到防倒目的，造成很大安全隐患，会给人员与设备的安全管理造成威胁。有些事故实例表明，工作面发生大型突水时，巷道支护材料的倒塌和堆积，阻碍了人员撤离。为防止工作面突出来的水将顺槽中的单体液压支柱冲倒，研发了单体液压支柱连锁防倒装置。它可有效解决现用液压支柱使用麻烦、效果不好、存在安全隐患的问题。技术方案包括：紧绳器、固绳器、钢丝绳。该装置结构简单、使用方便，是单体液压支柱防倒装置的创新。

图1 紧绳器示意图及使用状态图

见图1。钢丝绳4的一端经滑轮1固定在紧绳器2上，紧绳器2装在端部的单体液压支柱3上；另一端经固绳器6固定在（紧绳器2相对的）另一端的单体液压支柱上；中间的单体液压支柱上有防倒钩5，钢丝绳4经防倒钩5与单体液压支柱固定在一起。为了保证使用效果，紧绳器2包括滚筒和槽钢，槽钢13上装有U型卡，槽钢13的支架上装有滚筒10，伸出支架的滚筒10一端有摇臂9，另一端有齿轮11，支架上有与齿轮11啮合的磕头闸15，磕头闸15上有磕头闸卡簧12。单体液压支柱3上端有∏型钢梁7，下端有工字钢8。使用时，先将紧绳器2固定在需要防倒的单体液压支柱3端头的一根单体液压支柱的合适位置；后将滑轮1和每个防倒钩5固定在单体液压支柱的同一高度位置上；再把缠绕在紧绳器2滚筒10上的钢丝绳4经过滑轮1，逐个穿过每根单体液压支柱上的防倒钩5；并在最后一根单体液压支柱上用固绳器6将钢丝绳4固定；最后摇动摇臂9把钢丝绳4拉紧，从而起到单体液压支住整体防倒的作用。

3.2 巷道的可缩高强闭合支护

工作面大量涌水后，巷道底板岩石和碎煤被冲，沉积了巷道的低洼处，易堵塞避灾线路，为此按围岩性，研究巷道采用可缩高强闭合支护。

1）巷道支护情况。由于回风斜巷处在构造破碎带中，岩层中裂隙十分发育，极易冒落。掘进时岩层被揭露后，在短时间内就会风化、崩解，加上巷道围岩不断蠕动、变形，引起巷道围岩破碎范围不断扩大，使巷道围岩变形进一步扩大。

一次支护后，巷道围岩变形逐步呈现出来，5d左右一般出现浆皮开裂、顶板下沉，产生网兜等现象，局部地段出现底鼓现象，有时顶板下沉速度很快，可在巷道围岩变形严重的时间段过后，进行二次支护。二次支护采用12号工字钢加工的支架。有时巷道围岩吸水后膨胀力大，造成工字钢弯曲变形，使支架失去支撑作用。对这类地层要及时在巷道两帮打上锚索、拉住工字钢支架腿，以减少其变形。待变形稳定后再将变形的工字钢支架换下。

巷道底板破碎，严重底鼓是矿压显现的重要特征，说明底板岩石发生剪切破坏和滑移，形成塑性流动，严重时导致底板L8灰岩水涌出。一旦工作面突水，底板岩石易冲走，影响避灾路线。因此二次支护采用底拱封底，也增加了两帮的支撑力，减少了巷道两帮的移进和变形。实际施工中，一般采用双层工字钢加工的底拱，抗压强度成倍增加。

2）工字钢连接装置。矿用工字钢拱形支架，主要用于高应力软岩巷道支护（其由多根工字钢经连接件构成），耐动水冲击性不佳。要实现巷道的高强度闭合支护，必须将矿用工字钢紧紧固定。

现有工字钢的可缩性连接装置，一种是用“U”形卡缆，另一种是用“U”形卡块。卡缆由两部分构成，一部分由钢板压成的两侧带连接板的凹形板，另一部分由钢筋压成的“U”形环，“U”形环容易损坏，安装时螺母紧固较困难。卡块设计是将工字钢连接端头加工成一斜面，对接后使用U形卡块，卡块套在一个工字钢上开口处扣在另一个工字钢槽内，这种连接卡块容易脱落，当支架受到压力时，开口处卡勾容易损坏。

图2 新型工字钢连接装置

为克服上述技术缺陷，研发了一种新型工字钢连接装置，见图2。M形腹板和U形腹板上，有对应的多个安装孔，孔内有螺栓，将M形腹板和U形腹板固定在一起，结构简单、使用方便、效果好。

4 矿井的防淹井措施

工作面底板加固和断层突水防治工程，均要在矿井生产系统基本安全的情况下实施的，为了防治建井期间矿井发生突水事故，探索了一套防治技术。

4.1 安装潜水电泵

根据地质勘探报告，本区21煤层水文地质勘探类型为第三类第二亚类第二型，是以底板进水为主的岩溶充水条件中等型矿床。由于开采的21煤层埋深大，煤层下部灰岩含水层水压大，奥陶系灰岩含水层天然水位标高+82 m，初期开采范围-600～-682 m块段时，水头压力值6.82～7.64MPa。由于深部水压大于5MPa，高压水闸门尚无定型设计产品，超高压防水闸门也还在研究阶段。因此，不能设置防水闸门，要用配备潜水电泵系统。

4.2 建立完善的矿井水文地质观测系统

针对本矿具体条件，矿井防治水应以防治奥灰、L2和L8灰岩水为重点。因此结合已有水文观测孔的情况，不断完善矿井水文地质观测系统，2010年11月底完成了井下水文观测系统建设，并与地面观测系统形成连网动态观测，及时掌握地下水动态变化规律，为水害治理方案提供科学依据。

4.3 建立井下排水系统

1）井下-682 m标高设置主排水泵房，已装4台MD420-93×9型离心式排水泵和9台MD450-90×9型离心式排水泵，每台水泵均配YB2-560-4型10kV、1600 kW矿用防爆型电动机一台，正常涌水期6台工作，5台备用，2台检修，最大涌水期11台工作。排水管路选用6趟D426×22无缝钢管，分段选择壁厚。正常涌水期3趟工作，最大涌水期6趟工作。

2）布置内、外水仓共3条，每条可单独清理，水仓有效长度总计1 140 m，有效容量11 000 m3，满足《煤矿安全规程》规定。

3）“带水压开采”范围内的各采、掘工作面,均要根据预计最大涌水量配备能满足采、掘工作面最大涌水量的排水设备和设施。

4）要对排水系统进行定期维护保养，确保正常运转。每年雨季前，对井下泵房水仓进行清挖，确保水仓足够容量，泵房均要实行低水位排水。

5 结束语

1）通过顺槽中使用防冲防倒装置和巷道采用可缩高强闭合支护，使避水灾巷道保持畅通及防止底板L8灰岩水涌出。

2）通过安装潜水电泵、建立完善的矿井水文地质观测系统、建立井下排水系统等，建立了成套的防淹井措施。

3）建立了“顺槽的防冲防倒装置、巷道的可缩高强闭合支护技术、建井期间防淹矿井措施”组成的矿井水害防治技术，成功用于11011工作面，实现了矿井安全生产。

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