通讯作者: 韩江水(1956- ),男,陕西西安人,教授,主要从事工程力学方面的研究.
1.西安科技大学 理学院,陕西 西安 710054; 2.陕西彬长矿业集团有限公司地测防治水管理部,陕西 咸阳 712000
(1.College of Sciences,Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China; 2.Shaanxi Binchang Mining Group Limited Company,Department of Water Management and Survey Control,Xianyang 712000,China)
fully mechanized caving mining; the water-inrush mechanism; rock pressure
备注
通讯作者: 韩江水(1956- ),男,陕西西安人,教授,主要从事工程力学方面的研究.
通过对大佛寺煤矿40108工作面顶板涌水特征与涌水期间工作面顶板压力显现情况的对比分析,找出了顶板压力与涌水之间的相关性。并利用覆岩关键层理论以及采场覆岩在周期性来压作用下的变形破坏规律,分析了造成工作面涌水的机理,为工作面防治水工作提供理论依据。
Through comparative analysis of water gushing characteristics of apical plate at the 40108 working face of Dafosi Coal mine and the apical plate pressure manifestation at the working face during the water gushing,we can find out the the correlation between the pressure of apical plate and the water gushing. And the use of key stratum theory for overlying strata and the deformation and destruction rule under the action overlying strata in the periodical pressure, by the analysis of the working face water inrush mechanism, provide a theoretical basis for prevention and control of the work surface water.
引言
大佛寺煤矿位于陕西彬县境内,主采侏罗系下统延安组煤系地层4煤。井田范围内4煤平均厚度11.65 m,采煤方法多为综放开采,矿井涌水方式以顶板充水为主,直接或间接参与矿井充水的含水层有:延安组煤系地层裂隙承压含水层、直罗组裂隙承压含水层、洛河宜君组裂隙承压含水层等[1-3]。在回采40106工作面和40108工作面过程中,顶板以上裂隙承压水多次导入工作面,造成工作面涌水突然增大,涌水量一般在90~120 m3/h,最大涌水量达170 m3/h,对矿井生产、运输系统等造成较大影响。为做好顶板涌水防治工作,采取合理、有效的安全技术措施,有必要开展工作面顶板涌水机理分析研究,现以40108工作面为例进行观测分析[4-7]。
1 工作面概况
40108工作面位于大佛寺煤矿401采区东翼,北部为40106工作面采空区,南部、东部为未开采煤体,西部为采区大巷保护煤柱。工作面走向长1 917 m,可采长度1 767 m,倾向宽180 m,煤层倾角3~5°,最大倾角9°,煤层厚度10.1~13.6 m,平均11.5 m,容重1.39 t/m3,煤体弱含水,节理裂隙发育,煤层顶板多为泥岩、砂泥岩互层。顶板岩层岩性及其物理特性见表1.
40108工作面采用走向长臂后退式综采放顶煤法,全部垮落法管理顶板。采煤机为MG500/1330-WD型,割煤高度3.4 m,割煤方式为双滚筒双向割煤,进刀方式为工作面两端斜切割三角煤进刀,割一刀0.8 m,放煤支架为ZF10000/24/36型,采用多轮分段、顺序放顶煤的方式放煤,平均放煤高度6.5 m,采放比1:1.912,放煤步距1.6 m,周期性来压步距25~33 m(现场经验值)。
2 工作面涌水特征分析
2.1 涌水观测情况40108工作面回采前1 100 m过程中,涌水量比较稳定,基本保持在7~10 m3/h,但在回采至1 130 m和1 256 m时,涌水量两度增大,最大涌水量达90 m3/h.据观测,涌水点均位于工作面中后部,涌水过程中伴有不同程度的顶板淋水现象,涌水始末工作面都存在顶板压力增大、个别支架被压死现象,且涌水期间采面分别推采了27 m和29 m,随后工作面涌水恢复正常,实测涌水量数据见表2.
2.2 涌水水源分析40108工作面回采前,曾利用直流电法技术探查了顶板向上100 m范围内含水层的富水特征,并根据勘探成果,在工作面两顺槽对富水性较强的区域实施了探放水作业,放水孔垂深58~80 m,终孔层位为直罗组。由于原生裂隙发育状况不同,各放水孔的出水量也不一致。其中,切眼向外1 230 m处施工的探放水孔T6水量最大,出水点垂深58 m,位于直罗组底部,最大出水量10~12 m3/h,水质检测成果见表3。另有“两带”观测孔T3,T4和3#补勘孔位于40108工作面涌水段附近,这些钻孔分别进行了K1l+K1y,K1l,J2y层段的抽水试验及水质检测。现将40108工作面涌水水质检测成果与各含水地层水质进行对比,详见表3.
根据以上资料对比分析,采面涌水水质类型为Cl-HCO3-Na型,与延安组(J2y)、直罗组(J2z)地层含水的水质类型一致,结合采空区“两带”发育高度及工作面涌水表现形式等综合分析,判断工作面充水水源为延安组、直罗组裂隙承压含水层水。
3 涌水过程中的矿压观测曲线及对比分析
40108工作面安装了KJ216煤矿顶板动态监测系统,用于分区监测工作面内支架工作阻力变化情况,评价支架的支护效果,并提供顶板压力显现规律的分析数据。各数据采集点分别安装在工作面第8架、第40架、第71架、第90架、第117架,压力分机编号依次为16Z,20Z,24Z,27Z,30Z,通过对两次涌水期间各组监测数据的整理分析,得出工作面出水点两侧24Z,27Z压力分机的支架工作阻力曲线图如下。
3.1 7月18~24日24Z,27Z工作阻力3.2 8月11~20日24Z,27Z工作阻力3.3 对比分析通过工作面涌水特征与涌水期间液压支架工作阻力曲线的对比分析可知,涌水出现在顶板压力增大区域,当涌水出现时,顶板压力有急剧减小现象; 随着工作面继续向前推采,顶板压力减小,涌水量增大,然后顶板压力增大,涌水量减小,在顶板压力最大区域,工作面涌水恢复正常; 涌水期间采面推采距离与顶板周期来压步距相近,长度约27~29 m.可见,工作面顶板压力显现与涌水特征存在着相关性,而顶板压力显现是顶板覆岩受采动影响变形破坏的整个过程在工作面内的具体反映,顶板覆岩变形破坏的不同阶段,必将引起涌水量发生相应的变化[8]。
4 涌水机理分析
4.1 水文地质条件分析延安组煤系地层和直罗组地层在本区内为弱含水层,单位涌水量0.000 05~0.000 679 L/(s·m),渗透系数0.000 12~0.005 91 m/d,含水性较弱。但据顶板水文物探成果及探放水情况,4煤顶板向上延安组、直罗组中都存在不连续的低电阻率区域,局部存在上下连通趋势,推断顶板含水层局部裂隙发育,富水性较好,可形成较稳定的工作面涌水水源[9-11]。
4.2 采动作用对工作面涌水的影响40108工作面采用综放开采,煤层采厚大,煤层采动后形成的巨大采空区破坏了地层之间原有的力学结构,引起上覆地层的移动、变形失稳,甚至破坏了岩层的整体性。但由于成岩时间及矿物组分的不同,上覆各岩层在厚度、强度等物理性质方面表现出较大差异,受采动的影响程度也不同,而覆岩关键层对采场上覆岩层的活动起着控制作用。
通过分析4煤上覆各岩层的厚度、体积力、弹性模量等参数(见表1),利用关键层位置的判别条件:载荷qn+1<qn,破断距ln<ln+1,确定4煤上覆延安组、直罗组地层中,由下至上第5层、第11层为关键层,岩性分别为砂质泥岩、细粒砂岩。由于关键层受自身强度的影响,并不与下部岩层同步断裂,从而在下沉的岩与岩之间形成沿层面裂隙。在关键层初次破断前,随着工作面推进,沿层面裂隙不断增大,且最大裂隙位于采空区中部,关键层破坏断裂后,关键层在采空区中部趋于压实,而在采空区两侧保持有一个离层水,工作面两侧的离层区是随着工作面开采不断前移。若该离层带处于含水导水裂隙发育区域,就会在层状空间内储存一定量的地下水。
随着工作面推采,煤层顶板岩层会在矿山压力的作用下断裂,直接顶首先垮落,随后上覆各岩层在关键层的控制下逐步变形,在工作面两侧后上方形成离层带,如图5所示,当关键层破断时,在其断裂产生的巨大压力的影响下,储存在离层空间B区内的地下水沿采动裂隙下渗进入正在回采的工作面。工作面继续向前推采,原先位于含水导水裂隙发育区域内的离层带进入重新压实C区,被逐渐压实,使得工作面涌水失去了补给条件,涌水逐渐减小,直至老顶周期性来压后,导水裂隙在矿压作用下进一步闭合,涌水恢复正常值。
4.3 结 论由上述分析可知,造成40108工作面涌水的因素有以下几点
1)工作面顶板存在形成涌水水源的含水导水裂隙带,是顶板涌水的水文地质先决条件。
2)煤层上覆岩层的不同物理特性,使得在回采过程中形成了能够贮水的层状空间,能够提供工作涌水的补给条件。
3)工作面采动压力致使上覆岩层断裂破坏,形成连接层状空间与工作面采空区间的导水通道,并由周期性矿山压力诱导上覆层状空间贮水下泄进入采空区。
4)随着采面向前推移,离层区域被重新压实,失去了涌水水源,工作面水量恢复至正常值。
5 结束语
在顶板含水或弱含水的水文地质条件下进行综采放顶煤开采时,常常会出现顶板涌水现象,轻则影响生产,重则造成人员伤亡、财产损失,而顶板涌水与顶板的水文地质特征、矿山压力、采空区面积等因素息息相关,因此,生产矿井在工作面开采前,应充分勘查、掌握工作面范围内顶板覆岩的富水性、导水裂隙发育、分布情况等,并参照相似条件下相似工作面回采过程中的涌水特征,采取合理的防治水措施,以确保工作面安全回采。
- [1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.
- [2] 费新卿,张卫东,唐 征.放顶煤工作面矿山压力显现规律研究与分析[J].中州煤炭,2009,(1):1-3.
- [3] 刘保申,赵连刚.厚煤层综放工作面顶板压力显现规律观测与分析[J].煤炭技术,2007,26(10):104-105.
- [4] 刘 洋.矿山压力对煤层底板破坏深度的数值分析[J].西安科技大学学报,2008,28(1):11-14.
- [5] 段王栓.富水覆岩综放开采工作面透水机理及控制技术研究[D].西安:西安科技大学,2010.
- [6] 王铁牛,郝洪海,种义锋,等.厚煤层综放工作面水害综合分析与治理[J].煤炭科学技术,2006,34(11):14-15.
- [7] 王 卫,张礼发,潘二军.祁东煤矿回采工作面顶板水分析与防治[J].煤炭科技,2005,(3):51-52.
- [8] 高明中.放顶煤开采沿空掘巷矿压显现特征模拟分析[J].西安科技学院学报,2002,22(4):375-377.
- [9] 翟新献.放顶煤工作面顶板岩层移动相似模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(11):1 667-1 671.
- [10]杨淑华,姜福兴.综采放顶煤支架受力与顶板结构的关系探讨[J].岩石力学与工程学报,1999,18(3):287-290.
- [11]李树志,白国良,田迎斌.煤矸石回填地基的环境效应研究[J].地球科学与环境学报,2011,33(4):412-415.