祁东矿6163工作面松散承压含水层下安全回采研究∗

于佳佳 程玉印 王晓振 董军业

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008)

祁东矿6163工作面松散承压含水层下安全回采研究∗

于佳佳 程玉印 王晓振 董军业

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008)

受松散承压含水层影响,祁东煤矿曾多次发生工作面压架突水事故,而具有类似含水层赋存特征的6163工作面在里段开采过程中实现了安全回采,通过现场实测和理论分析,从基岩厚度、覆岩关键层结构特征和顶板破断形态等方面与同煤层且发生过压架突水事故的6130工作面进行了对比研究,结果表明:6163工作面里段基岩厚度大,主关键层与煤层间距大是其未发生压架突水事故的主要原因;初采期工作面的调斜开采使顶板岩层能够产生区域性破断、来压,一定程度上降低了来压强度,也是实现安全开采的有利因素。

松散承压含水层 综采工作面 压架突水 覆岩结构 关键层

祁东煤矿受松散承压含水层的影响自投产以来曾在多个工作面发生过压架突水事故,造成了重大的经济损失,首采区首采面尤为突出。许多学者对其压架突水机理进行过研究,其中许家林教授深入分析了松散承压含水层下采煤发生压架突水事故的原因,并提出有效的防治方法;王晓振等通过模拟手段研究了不同组合特征的覆岩结构对松散承压含水层下采煤压架突水的影响。

祁东6163工作面作为南部采区首采工作面,顶部松散含水层厚度平均达50 m,含水丰富,水压高达4～4.5 MPa,对工作面回采威胁很大。然而在里段开采的过程中并未发生类似其他工作面的压架突水事故。本文结合祁东煤矿6163工作面的开采条件,分析其里段实现安全回采的原因,为南部采区后续工作面顺利开采提供参考和借鉴。

1 6163工作面里段基本条件

祁东煤矿南部采区位于祁东井田南翼,6163工作面为南部采区首采面,面长约250 m,里段走向长约198 m,起止标高－561～－632 m。平均煤厚1.9 m,倾角平均为17°,直接顶为10 m的厚泥岩,岩性较为稳定。里段机巷基岩厚度207.2～227 m,风巷基岩厚度155.1～159.6 m,机巷、风巷呈负伪斜布置,风巷超前机巷约45 m,在初采阶段工作面中下部需要甩采,甩采45～50 m后开始正常平推。工作面上方第四系松散含水层(简称四含)厚度大,水量丰富。图1为6163工作面里段平面图。

图1 6163工作面里段情况

2 工作面开采期间矿压实测

根据实测,6163工作面下部老顶2014年3月31日初次来压,中部老顶4月3日初次来压,上部老顶4月7日初次来压。工作面过长及机头大距离甩采导致压力显现主要集中在中下部区域,随机头甩采距离加大,中下部顶板首先破断,并逐渐向中上部发展,最终老顶初次来压呈现分区域破断。工作面周期来压步距平均约21.9 m,来压时支架阻力平均6996 k N,非来压时支架阻力平均5478 k N,来压动载系数1.28,由实际观测得知老顶在周期来压时沿倾斜方向也表现出分区域破断,来压期间支架工作阻力并不大,与以往祁东煤矿矿压显现相比相对缓和。

3 6163工作面里段实现安全回采原因分析

通过对比祁东矿已发生压架突水的6130工作面来分析6163工作面在高水压松散含水层下实现安全回采的原因。

3.1 含水层赋存条件

6130工作面上方四含主要由砂、黏土质砂、砾石等组成,富水性较强,渗透性好,四含水压力2.8～3.4 MPa,部分区域含水较丰富。

6163工作面里段上方存在厚度平均达50 m的第四含水层组,四含岩性复杂,主要由砾石、砂砾、砂质黏土、中细砂及黏土等组成,富水性极强,水压高达4～4.5 MPa,高于6130工作面,因此危险性更大,满足发生压架突水事故的松散承压含水层赋存条件。

3.2 覆岩结构条件

松散承压含水层下采煤时,基岩厚度是决定覆岩是否发生整体破断的重要因素。

表1 6130和6163工作面关键层位置判别情况

表1为6130和6163工作面覆岩柱状及关键层判别情况对比。6130工作面上方松散层厚度370 m,煤厚平均1.7 m,本钻孔揭露基岩厚度为57 m。工作面上方共有3层硬岩层,其中第一层为距离61煤层25.4 m的主关键层,控制上覆至地表整个岩层的移动。第三层距离61煤层10.7 m的硬岩层为亚关键层,控制主关键层以下岩层的移动状态。松散承压含水层具有均匀传递上覆载荷的作用,开挖过程中基岩顶界面上的载荷基本保持恒定,因此上覆岩层及松散层的重量全部加载到7.5 m厚的主关键层上,导致了关键层复合破断,同时沟通四含水,工作面出现压架突水事故。

6163工作面上方松散层厚度为422 m,254号钻孔揭露的基岩厚度为227 m,由表1知,工作面上方有3层硬岩层,第一层距离61煤层工作面56.9 m为主关键层,位于煤层10倍采高以外,该主关键层距离其下方硬岩层的亚关键层26.6 m,而亚关键层距离61煤层22.33 m。

基岩厚度增加会使厚硬岩层层数增加,以及厚硬岩层间距变大,硬岩层的悬露跨距差值随之增大,硬岩层间悬露跨距差值的大小对于覆岩的破断形式有重要影响,差值较小时易发生关键层复合破断。图2为6130工作面和6163工作面硬岩层结构示意图,开采尺寸均为L、岩层破断角θ均为80°。

图2 6130和6163工作面硬岩层结构示意图

由图2可知,两工作面硬岩层悬露跨距的差值计算式为:

式中:ΔL1、ΔL2——两工作面硬岩层悬露跨距的差值的一半;

L1、L3——主关键层悬露距离;

L2、L4——亚关键层悬露距离;

θ——岩层破断角;

L——开采尺寸;

H1、H2、H3、H4——关键层距煤层距离。

将两个工作面的参数代入式(1)和式(2),得到6130工作面硬岩层悬露跨距的差值3.3 m; 6163工作面里段硬岩层悬露跨距的差值7.7 m。

对比得知,两工作面硬岩层悬露跨距的差值ΔL2大于ΔL1,说明在相同开采尺寸时,6130工作面硬岩层距煤层较近,主关键层悬露跨距L1较大,且硬岩层间距离较近,在高承压水作用下易发生因关键层复合破断引起的压架突水事故;ΔL2较大表明6163工作面硬岩层距煤层相对较远,硬岩层间距相对较远,其主关键层悬露距离L3较小。同时在高承压水载荷的作用下,6163工作面覆岩结构使得岩层在破断的过程中能够逐层破断,不容易发生整体破断。

3.3 工作面顶板破断形式

6130和6163工作面切眼处顶板周围支撑结构示意图见图3。6130工作面面宽为126 m,工作面在回采过程中是正常平推,工作面来压时顶板整体破断,来压强度大,见图3(a)。

图3 6130和6163工作面切眼处顶板周围支撑结构示意图

6163为面宽250 m的长工作面,作为采区的首采面,煤层顶板属于四周均固支的结构,见图3(b),工作面里段初采阶段机头的大幅度调斜开采导致顶板初次破断前呈现“梯形板”,且随着机头甩采距离的加大,工作面中下部老顶首先出现损伤裂缝,并逐步向中部发展,使老顶由工作面下部到上部逐一破断,并沿工作面倾斜方向上形成铰接结构,相互之间的咬合作用力避免了老顶整体破断,同时一定程度上降低了工作面的来压强度。工作面初次来压由下到上呈现分区域性,降低老顶因整体破断发生失稳的可能。

3.4 支架的合理选型

支架阻力的提高也是实现安全回采的原因之一。松散承压含水层下采煤,关键层有复合破断可能时应选取合理的支架型号,当关键层出现失稳,上覆岩层重量将全部加载到支架上,若支架工作阻力不足,很可能导致压架突水事故。6130工作面共有83架ZY4000/09/21型掩护支架,经计算发生压架突水事故时所需支架阻力应为6090～9135 k N,所用支架型号不能满足实际工作阻力;根据钻孔结构,基于垮落带法的支架阻力计算得6163工作面里段的最大阻力7221 k N,现场实测支架来压最大阻力为7226 k N,大部分支架来压时工作阻力均小于7200 k N。据此,6163工作面共布置130架ZY7200/12/24型掩护支架,6架ZYG7200/13/ 28型掩护端头支架,该型号支架能有效支撑顶板,并有助于里段实现安全回采。

4 结论

(1)对比发现,在松散承压含水层条件下6163工作面里段的基岩厚度大、硬岩层间距大、主关键层距离开采煤层较远等覆岩结构特征是其未发生压架突水事故的主要原因。

(2)长工作面调斜开采使顶板岩层分区域破断有效避免了老顶整体来压,同时降低来压强度,使工作面里段得以安全开采。

(3)6163工作面选择的支架合理,能有效支撑顶板。

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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,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向为岩层移动与绿色开采。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金项目(51404246),江苏省自然科学基金项目(BK20140205)