祁东矿7121工作面压架突水原因及灾害防治∗

郭 庄

(皖北煤电集团祁东煤矿,安徽省宿州市,234000)

祁东矿7121工作面压架突水原因及灾害防治∗

郭 庄

(皖北煤电集团祁东煤矿,安徽省宿州市,234000)

祁东矿7121工作面在高水压松散承压含水层下开采时发生了严重的压架突水事故,造成巨大经济损失,严重影响了矿井采掘接替。分析了引发7121工作面压架突水事故的根本原因。根据灾害发生的原因,通过采取采前危险区域预测、顶板预裂爆破、支护质量监测、推进速度调控等措施,成功避免了压架突水事故,扭转了祁东煤矿采掘接替的被动局面。

松散承压含水层 压架突水 采前危险区域预测 顶板预裂爆破 质量监测推进速度调控

祁东煤矿地处安徽省宿州市东南,距宿州市约20 km,隶属安徽皖北煤电集团有限责任公司。矿井设计产量1.5 Mt/a。祁东煤矿井田内煤系地层普遍为厚350 m左右的第四系巨厚松散层覆盖,该松散层底部存在一层以非胶结粗颗粒的砂砾、砾石为骨架组成的承压含水层,厚度为35～55 m,静水水压达3～4 MPa,对煤矿安全开采造成严重威胁。祁东矿自投产以来,相继发生多起压架突水事故,对矿井的采掘接替造成了很大影响,并因此带来了巨大的经济损失。

本文以祁东煤矿7121工作面压架突水灾害案例为工程背景,针对该工作面开采条件,结合现有研究,对7121工作面压架突水灾害的原因进行分析,并提出压架突水灾害防范措施,为祁东煤矿同类条件下工作面进行压架突水灾害的防治提供参考。

1 工作面基本开采条件

7121工作面走向长平均1129 m,倾向宽129 m,平均采高2.4 m,平均倾角10°。工作面中部4＃～83＃支架为ZY5000/13/28型液压支架;上下端头为ZYG5000/13/28型支架,共6架,额定工作阻力均为5000 k N。工作面埋深439～498 m,最小防水煤岩柱高度约69 m,松散层厚度约370 m,承压含水层厚度约25 m。煤层直接顶为深灰色泥岩,厚度平均2.6 m,单向抗压强度为24.3～40.6 MPa;老顶为灰色细砂岩,厚度平均5.9 m,单向抗压强度平均为60.8 MPa;底板为深灰色泥岩,厚度平均3.3 m,单向抗压强度为22.1～24.2 MPa。

2 工作面顶板来压及压架情况

7121工作面自切眼回采至2009年11月25日,共出现19次周期来压,平均来压步距约17 m。2009年11月18日中班工作面开始出现来压迹象,推进至357.6 m处,老顶突然来压,1＃～18＃支架处煤壁片帮严重,11月24日夜班工作面1＃～7＃支架、30＃～75＃支架处煤壁片帮严重,之后1＃～45＃支架来压较为剧烈,第11＃、15＃、44＃支架压力达到40 MPa,41＃～70＃支架活柱明显下缩,最终1＃～7＃支架压死,机头电机被压坏,中下部区域人员无法通行。压架造成运输机齿箱开裂,1＃～2＃支架侧护板被切开,机头齿箱连接螺丝全部切断。压架造成工作面突水量为50 m3/h,压架突水造成直接经济损失约117万元,且因停采严重影响了矿井的采掘计划,生产一度陷入被动局面。

3 工作面压架突水原因分析

为了分析压架突水原因,在压架区域附近的巷道施工了顶板岩性结构探测孔,取芯结果如图1所示,71煤顶板25.97 m范围内均为砂岩,在距离71煤顶板10.82 m处存在一层真厚度达11.34 m的中砂岩,为覆岩主关键层,整体性很好,容易形成大面积悬顶。在含水层的载荷传递作用下,此类覆岩条件的关键层结构会产生整体破断,易导致砌体梁结构的滑落失稳。导水裂隙因覆岩的整体破断沟通含水层,这是导致采场压架突水事故发生的主要原因。

图1 7121工作面压架位置附近顶板岩性柱状图

一旦覆岩发生整体破断,作用在其支架上的载荷明显增大,而7121工作面基岩最小厚度约69 m,选用ZY5000/13/28型支撑掩护式液压支架,支架最大阻力为5000 k N,难以支撑整体破断失稳的顶板,因此引发压架事故的发生。

4 压架突水灾害防治对策

4.1 采前危险区域预测

压架突水灾害发生的根本原因是由于覆岩关键层在含水层灾害传递作用下发生了复合破断,因此在工作面布置设计之前,就应判断哪些区域会发生覆岩关键层的复合破断。主要的方法是收集设计区域内地质钻孔柱状,可以在工作面巷道内间隔一定距离施工顶板岩性探测钻孔并取芯,然后根据钻孔柱状岩层分布情况,对关键层结构进行判别,如果关键层存在复合破断的危险,那么工作面在回采过程中,就可能发生压架突水灾害。通过在7121工作面剩余段进行顶板取芯判断,覆岩存在整体破断危险,即存在压架突水危险。因此需要提前采取措施,避免再次发生压架突水事故。

4.2 顶板预裂爆破弱化

采取顶板预爆破措施是针对顶板坚硬岩层实施的一种积极主动的手段,通过预裂爆破,弱化距离煤层最近的那层关键层,降低其强度,使之不再成为覆岩中的主关键层,进而降低覆岩整体破断致灾危险性。基于此,结合7121工作面的开采条件,在该工作面机巷和风巷实施顶板预裂爆破。爆破前后效果对比如表1所示。

表1 7121工作面预爆破前后来压特征对比分析

由表1可得,顶板超前预爆破之后,支架阻力、来压持续长度、周期来压步距等均有明显减小,说明顶板预爆破对弱化坚硬顶板和释放顶板压力的作用明显,可有效避免压架灾害发生。

4.3 支护质量监测

保证初撑力是能够有效控制顶板大幅度下沉的关键所在。在工作面推进过程中,要求及时升架并使初撑力到位,及时跟机移架,及时使用护帮板。要求泵站压力不低于30 MPa,工作面支架的初撑力达到27 MPa;移架滞后采煤机后滚筒距离小于10个支架宽度。以7121工作面为例,在开采过程中,要求保证泵站压力达到规程规定的(不小于30 MPa)的基础上,对初撑力达不到27 MPa的支架采取二次补液操作,必要时安排专门的二次补液工人检查和完成该项操作工序。

4.4 推进速度调控

在工作面开采过程中,如果不受地质开采条件的影响,开采速度是最容易进行调控的因素。大量的实测、理论与实验研究均表明,工作面推进速度的改变对采场围岩应力分布及支架与围岩平衡关系有显著的影响。从本质上讲,推进速度的改变主要影响了顶板垮落和裂缝发育的充分程度。直接顶由于推进速度减慢,破碎程度会增加,在缓慢推进的前提下,直接顶可以充分垮落充实采空区,在老顶断裂时,冒落矸石可以及时有效地发挥承载作用,减小支架受力,降低顶板来压强度。若来压非常剧烈,发现支架有明显下缩,应尽工作面所能达到的最大速度向前推进。根据7121工作面的开采条件,推进速度应控制在3.6～4.2 m。

5 结论

(1)松散承压含水层的载荷传递作用下,一定覆岩条件的关键层结构发生整体破断,导致覆岩砌体梁结构的滑落失稳,导水裂隙沟通含水层是7121工作面发生压架突水事故的根本原因。

(2)基于压架突水灾害的发生原因,采取采前危险区域预测、顶板预裂爆破、支护质量监测、推进速度调控等措施,成功避免了后续开采中的压架突水事故,实现了工作面的安全回采,累计安全推进695 m,安全回采煤炭约28.8万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

郭庄(1968－),男,安徽濉溪县人,工程师,现任皖北煤电股份有限公司祁东煤矿采煤矿长,从事煤矿生产与技术管理工作。

(责任编辑 张艳华)

国家科技支撑计划项目(2012BAK04B06)