富水顶板综放工作面出水规律与高位关键层破断特征分析∗

刘前进霍永金娄金福

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.中天合创能源有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯市,016105)

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富水顶板综放工作面出水规律与高位关键层破断特征分析∗

刘前进1霍永金2娄金福1

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.中天合创能源有限责任公司,内蒙古鄂尔多斯市,016105)

针对崔木煤矿富水顶板特厚煤层综放工作面在限厚开采条件下,仍然频繁出现的出水和压架问题,分析了上覆关键层破断与工作面出水的关系,认为21303工作面导水裂隙带的发育高度受高位厚硬岩层亚关键层Ⅰ的控制,最大发育高度为185 m。工作面出水具有周期性,且出水周期性与亚关键层Ⅰ周期性破断有关,出水在形式上可以分为直线型导通和折线型导通两种。在初次和周期性出水期间伴随着工作面强矿压显现。

综放工作面 富水顶板 高位关键层 导水裂隙带 出水周期

崔木煤矿位于黄陇煤田永陇矿区,煤层稳定、厚度大。但在煤层上覆顶板中存在比较厚的富水岩层,水文地质复杂,其中白垩系洛河组砂岩层是其主要含水层,该含水层富水性较强、分布广、厚度大,多次造成工作面出水淹面、乃至压死支架事故,严重威胁矿井的安全生产。因而有必要针对富水顶板特厚煤层条件下综放工作面覆岩破断特征及出水规律进行研究,进而提出切实有效的防范治理措施,保障工作面的安全生产。

1 工作面概况

崔木煤矿21303工作面所采煤层为3＃煤层,煤层厚度平均为16 m,硬度系数为1,煤层倾角平均为6°,属近水平煤层。直接顶为8.0 m厚的粗粒砂岩,老顶为19.3 m厚的泥岩。工作面一侧为21302采空区,一侧为实体煤,走向长850 m,倾向宽200 m。由于受到顶板富含水的影响,采用分层综采放顶煤工艺,以控制上覆岩层破坏范围,上分层采放高度为8 m,机采高度为3.5 m,放煤高度为4.5 m,工作面巷道布置如图1所示。

图1 21303工作面巷道布置平面图

为观测21303工作面洛河组含水层水位变化,在距工作面切眼171 m处打G4观测孔(见图1),并采用水位遥测及报警系统,每2 h自动记录一次水位数据,对水位进行不间断观测。同时,在工作面布置支架矿压在线监测系统,实时监测工作面矿压动态变化。

2 关键层破断特征及导水裂隙带发育规律

2.1 工作面上覆关键层的判断

根据关键层理论,地下采场上覆岩层裂隙带的发育高度受关键层的破断特征决定。由关键层判别准则,并结合工作面上覆岩层的岩性和厚度可知:在21303工作面上方共存在4层关键层,从下至上依次为老顶、亚关键层Ⅰ、亚关键层Ⅱ和主关键层,工作面上覆岩层结构及关键层判别结果如表1所示。其中,主关键层和亚关键层Ⅱ位于洛河组含水层当中,岩性以砂岩为主,是工作面上方主要含水层。由于这两个关键层的层位相近,刚度差异很大,当工作面开采范围足够大时,在两关键层之间可形成与采空区相互不连通的空腔型离层,这样的离层带具备一定的蓄水条件,当洛河组含水层注满离层带时,就会出现离层带蓄水现象。

表1 21303工作面上覆岩层结构及关键层判别结果

亚关键层Ⅰ厚度较大,岩性以泥岩和砂质泥岩为主,是工作面上方主要隔水层,该组合关键层破断时将引起其上的隔水层发生同步破断,进而将洛河组离层水导入工作面。老顶是距工作面最近的上覆关键岩层,它的稳定和失稳影响支架工作阻力的变化,根据工作面矿压实测得出老顶初次破断步距为51 m,周期破断步距为20 m。

2.2 导水裂隙带发育高度和关键层极限跨距的确定

随着采空区走向长度的延伸,覆层断裂呈一定角度不断向上扩展,在走向和倾向上均近似呈等腰梯形发育。如图2所示,由于高位厚硬岩层与煤层间距较大,受岩层断裂角影响,其悬露宽度并不等于工作面长度,两者的关系式为:

同理可得岩层在走向上的极限跨距a与工作面的推进距离x的关系式为:

式中:b——岩层悬露宽度,m;

a——岩层走向极限跨距,m;

l——工作面长度,取200 m;

∑h——岩层距煤层垂直距离,m;

φ——岩层破断角,均取80°;

x——工作面推进距离,m。

亚关键层Ⅰ和亚关键层Ⅱ距煤层的距离分别为56 m和185 m,均为高位厚硬岩层,由式(1)可得亚关键层Ⅰ和亚关键层Ⅱ的悬露宽度分别为b1＝180 m,b2＝135 m。

图2 高位关键层沿工作面倾向悬顶示意图

由于高位厚硬岩层破断步距较大,其极限跨距将受到边界条件和悬露宽度影响,由反映其自身稳定性的步距准数lm和反映边界条件与悬露宽度影响的系数ω决定,岩层初次破断和周期破断时所处的边界条件不同,但均满足通式:

式中:i——表示不同的边界条件;

ai——不同边界条件下岩层破断步距,m;

lm——步距准数,m;

ωi——边界条件与悬露宽度影响的系数。

其中,步距准数为不考虑边界条件和悬露宽度影响,即四边固支宽度无限长条件下的极限跨距,其表达式为:

式中:h——岩层厚度,m;

μ——岩层的泊松比,取0.23;

q——岩层自重及上覆载荷,MPa;

σs——岩层抗拉强度,MPa。

考虑到水压影响,亚关键层Ⅰ的载荷为q1＝2.2 MPa;亚关键层Ⅱ的载荷为q2＝5.0 MPa,并将岩层其它各参数代入式(4)得亚关键层Ⅰ和亚关键层Ⅱ的步距准数分别为:lm1＝167 m,lm2＝174 m。由于b1＞lm1,b2＜lm2,根据板破断理论可知亚关键层Ⅰ在达到极限跨距时能够垮落,而亚关键层Ⅱ则始终稳定不垮落。因此,裂隙带发育高度受亚关键层Ⅰ控制,最高可发育到亚关键层Ⅱ的下方,因为亚关键层Ⅱ距煤层的高度为185 m,则裂隙带最大发育高度为185 m,而洛河组含水层底部距煤层高度约为173 m,故裂隙带已波及到洛河组含水层,存在洛河组出水危险。

当亚关键层Ⅰ初次破断时,其边界条件为三固一支,对应的边界和宽度影响系数为:

当亚关键层Ⅰ周期破断时,其边界条件为两固两支,对应的边界和宽度影响系数为:

式中:λ——悬露岩层长宽比;ac——悬露岩层初次破断步距,m;az——悬露岩层周期破断步距,m;b——岩层悬露宽度,m。

已知b＝180 m,lm＝167 m,分别联立公式(3)、(5)和(3)、(6)得亚关键层Ⅰ的初次断裂步距ac＝210 m,周期断裂步距az＝159 m,并由公式(2)可得亚关键层Ⅰ初次破断时工作面的推进距离为xc＝230 m,历次周期破断时工作面的推进距离为xzn＝xc＋naz,n为亚关键层Ⅰ周期破断的次数。

3 工作面出水规律分析

3.1 工作面出水周期分析

21303工作面回采期间G4长观孔数位变化如图3(图中竖线所标为出水发生时间)所示,工作面自开切眼推出后,洛河组含水层的水位基本没有变化,当工作面在4月26日推进至235 m时,洛河组观测孔水位开始迅速下降,这与计算得出的亚关键层Ⅰ初次破断时工作面推进距离基本相符,表明洛河组含水层初次水位下降发生在亚关键层Ⅰ初次破断时候。在5月2日工作面又推进38 m,至273 m时工作面首次出水,滞后水位开始下降约2个老顶周期来压步距。

随后,在6月15日洛河组水位又明显下降,此时工作面推进距离为552 m,约等于亚关键层Ⅰ第二次周期性破断时工作面的推进距离,表明工作面第二轮水位下降开始于亚关键层Ⅰ的再次周期断裂之后。在6月17日推进至567 m时工作面发生第二轮出水,滞后含水层水位开始下降的步距为15 m,约为1个老顶周期来压步距。

图3 G4长观孔水位曲线

第三轮出水发生在工作面推进至718 m时的7月14日,滞后含水层水位开始下降的步距为19 m,也约为1个老顶周期来压步距,水位下降开始时间与亚关键层Ⅰ第三次周期性破断也基本吻合。

总结以上出水现象可知,工作面水位开始下降周期与亚关键层Ⅰ的初次破断和周期性破断相关,且出水多滞后于水位下降时间大约为1～2个周期来压步距,因此可以通过监测水位变化来预测工作面出水。而3＃煤层顶板至洛河组底界面的岩层岩性主要以泥岩为主,遇水易崩解软化,在涌水冲刷过程中使已经贯通的导水裂隙重新闭合。但随着工作面向前推进时老顶的周期性断裂,导水裂隙在采动作用下反复张开,经历多次离层闭合充水、导水再到闭合充水的过程,该过程中的水位波动情况见图4,造成工作面每轮出水过程中均发生短期内频繁出水的现象,反复出水的周期约为老顶的周期来压步距。

图4 G4长观孔水位波动图

影响工作面出水的一个关键因素是主导水通道的贯通,并取决于隔水层本身的隔水性能和受采动破坏的程度。例如,在亚关键层Ⅰ第一次周期断裂期间,G4长观孔水位只是略微下降,工作面也仅出现过较小的淋水,工作面矿压显现亦不强烈,表明隔水层受采动破坏程度较轻,主导水通道没有充分打开,离层水只是通过微小裂隙渗入工作面,从而没有在工作面产生大的涌水。

3.2 工作面出水期间矿压显现规律

总结以上出水规律可知,工作面出水均发生在周期来压期间,且均伴随强矿压显现,呈现支架活柱急剧下缩、安全阀频繁开启等现象,出水与非出水期间周期来压特征对比如表2所示,可见工作面出水使老顶周期来压更加强烈。这是由于离层水在冲蚀导水裂隙带进入采场和采空区的过程中会使岩层强度降低和老顶铰接点破坏,容易导致老顶滑移失稳而部分转化成直接顶,从而导致老顶断裂时作用在支架上的载荷增大。在21303工作面之前的21301和21302工作面由于选用的支架额定工作阻力不足以及现场管理不当等原因,曾在出水前后多次发生压架事故。

3.3 工作面出水形式与矿压显现关系

总结21303工作面出水来压的规律及上两工作面出水压架的因果关系,将工作面可能的出水形式描述为折线导通型和直线导通型两种,如图5所示。

表2 21303工作面出水与非出水期间工作面来压特征对比

图5 亚关键层Ⅰ初次破断时导水裂隙走向剖面图

由21303工作面出水与水位开始下降的时间关系可知,老顶与亚关键层Ⅰ的破断多不同步,亚关键层Ⅰ破断后,离层水一般会经历1～2个老顶周期来压才从裂隙带岩层断裂线打通主导水通道,主导水通道呈现一条折线(图5(a)),表现的矿压显现特征是先出水后来压(压架)。

当亚关键层Ⅰ和老顶发生同步破断时,工作面顶板会在强大矿山压力作用下沿煤壁发生整体切落,从而更容易造成压架事故,随后洛河组离层水在静水压力作用下,沿裂隙带岩层断裂线对围岩进行软化、冲蚀、延扩通道,形成一条直线型主导水通道(图5(b)),表现的矿压显现特征是先压架后出水。该种情况对生产最为不利,多与支架的支撑能力不足有关。

4 结论

(1)21303工作面上覆的厚硬岩层亚关键层Ⅰ是控制导水裂隙带发育高度的关键岩层,工作面导水裂隙带的最大发育高度为185 m。

(2)工作面水位开始下降的周期与亚关键层Ⅰ的破断周期相关,工作面出水滞后1～2个老顶周期来压步距。工作面短期内反复出水的周期与老顶周期来压步距有关。工作面出水多发生在老顶周期来期间,且均伴随强矿压显现。

(3)当亚关键层Ⅰ与老顶不同步破断时,主导水通道呈折线型贯通工作面;当亚关键层Ⅰ与老顶同步破断时,主导水通道呈直线型贯通工作面,此时容易引发压架事故。

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Analysis of the rule of water inflow into fully-mechanized top coal caving mining workface with rich water roof and the broken feature of key stratum at higher position

Liu Qianjin1,Huo Yongjin2,Lou Jinfu1
(1.Department of Mining and Design,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Zhongtian Hechuang Energy Co．,Ltd．,Ordos,Inner Mongolia 016105,China)

This paper aims at the problems happened frequently of water inflow and support crushing in conditions of height-limit mining in the fully-mechanized top coal caving mining workface of very thick coal seam with rich water roof in Cuimu Coal Mine,the relationship between the key stratum breaking and water inflow into workface is analyzed comprehensively.The following conclusions show that the development height of water flowing fractured zone in No.21303 workface is controlled by the No.1 sub-key stratum in hard rock strata at higher position,and the maximum development height is 185m.The water inflow is periodic,and the periodicity is related to the periodic break of the No.1 sub-key stratum,and the water inflow can be divided into two kinds:the linear and mansard.The strong strata behaviors follows during the initial and periodic water inflow.

fully-mechanized top coal caving mining workface,rich water roof,key stratum at higher position,water flowing fractured zone,water inflow period

TD822

A

刘前进(1988－),河南鹿邑人,硕士研究生,主要从事采煤方法和矿山压力方面的研究。

(责任编辑 张毅玲)

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAB13B02－02)