采空区顶板“三带”研究在煤矿安全生产中的作用探析

贾继平,叶洋洋,白康康,梁思哲,李 涛

(1.陕西陕煤黄陵矿业有限公司,陕西 延安 727307;2.陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿,陕西 延安 727307;3.陕西瑞能煤业有限责任公司,陕西 延安 727307)

0 引言

采空区顶板“三带”是冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的简称,是煤层开采后,采空区上方岩层原始应力的平衡状态被破坏后,应力重塑再达到新平衡的一个复杂的过程[1-3]。随着开采的进行,沿采空区上方自下而上所形成的3个具有不同变形特征的分带。其作为煤层开采后所形成的一个特殊产物,很大程度上会成为诱发瓦斯、水害、顶板等事故的因素之一,故开展“三带”研究是防控上述灾害风险、优化治灾设计参数和保障安全生产的良策,对煤矿安全生产具有十分重要的现实作用和意义[4-6]。结合工作实践,以开展“三带”研究工作的必要性为目的,探讨了“三带”研究的主要内容及研究所用技术方法,分析了“三带”研究在煤矿安全生产中的重要作用,并提出了“三带”研究注意事项及改进建议,以为业内同仁深入“三带”研究工作认识及深化其工作研究提供一定参考。

1 研究内容及方法

1.1 开展“三带”研究工作的必要性

据统计,目前我国将近90%以上煤炭是井工开采,而采空区上覆岩层“三带”是限于井工矿山矿物开采后而形成的岩层移动形态,受限于地下开采,煤层开采过程中会一直伴随有顶板、瓦斯、上覆水体等灾害风险,而“三带”的存在一定程度上会诱发上述灾害的发生[7-9]。当煤层开采后,“三带”在空间上会为采空区遗留煤及所采煤层顶底板临近煤层瓦斯提供涌存空间,而加大工作面回采期间上隅角瓦斯超限的风险,同时在“三带”高度相对发育情况下,甚至有可能导通地表及煤层覆岩含水层,成为地表水、含水层水溃涌井下的导水通道,而造成水害事故发生。基于上述,开展“三带”研究,确定“三带”发育高度范围,才是解决上述问题的有效举措,而实践也证明,“三带”研究可为矿井高位瓦斯抽采层位选择、抽采钻孔终孔孔位确定、顶板防(隔)水煤柱确定及顶板控制提供重要的基础技术参数,尤其将高位钻孔布置在采空区上覆岩层裂隙带内,显现了最佳的瓦斯抽采效果,同时“三带”研究成果也为矿井地质及水文地质预测预报提供了重要的参考依据。故此,开展“三带”研究十分有必要。

1.2 “三带”研究的主要内容

基于单一的理论分析或与现场实测相结合的技术方法,对覆岩破坏特征和规律进行研究,综合分析确定采空区顶板“三带”发育范围。通过采厚对比得出相应冒(裂)采比,为矿井水害防治和瓦斯治理提供必要的基础技术参数。

1.3 “三带”研究技术方法分析

围绕采空区顶板“三带”研究这一重要课题,国内外学者进行了大量的研究,概括来讲主要包括理论分析和现场实测两方面。其中理论分析主要以某一理论和经验公式计算、数值模拟、仿真模拟等方法为主,通常是基于一定理论研究或采用专用软件技术,在一定假设和简化基础上得出的理论结果,其适用条件具有一定局限性,与工程实践误差较大,需与现场工程施工结合使用。现场实测方面主要以钻孔电视法、微震监测、钻孔深部基点法、钻孔冲洗液法,超声成像及数字测井法、超声波穿透法,钻孔CT及电法、井下仰孔分段注水法等为主[10-12]。上述方法本身技术要求高,影响因素多,误差一般较大,且费用较高,因此在实际应用中一般将其用作综合研究中的辅助研究方法。而井下仰孔分段注水法凭借技术方法简单、监测速度快、测试精度高等优点,目前已成为“三带”研究常用技术方法且广泛应用于高位瓦斯抽放孔优化定位,水体安全采煤等领域。

2 “三带”研究在煤矿安全生产中的重要作用

2.1 支撑瓦斯抽采层位优选

瓦斯作为煤层中的一种伴生气体,具有比空气轻、易扩散、强渗透、易燃烧、易爆炸等特性,相对低瓦斯矿井而言,高瓦斯矿井生产过程中不仅受本煤层瓦斯含量高的影响,还受所采煤层顶底板临近煤层瓦斯影响,且随着煤层开采,采空区遗留煤及所采煤层顶底板煤层中的瓦斯会通过各种途径涌存于采空区覆岩地层中形成的裂隙中,如不采取有效措施,势必会造成采空区瓦斯积聚、超限甚至发生瓦斯事故。对此,高瓦斯矿井都建有瓦斯抽采系统,且实施了高位钻孔瓦斯抽采技术,但如何保证最佳的抽采效果,其实确定最佳的瓦斯抽采层位是关键,而“三带”研究成果可为优选瓦斯抽采层位提供数据和技术支撑,如黄陵某矿以“三带”实测的裂隙带范围18.7～70 m之间裂隙最为发育的21～49 m为参照进行高位瓦斯抽采层位及钻孔设计,取得了最佳的抽采效果。

2.2 有效预防矿井水害事故

对于井工开采而言,除受老空水、底板承压水影响外,受地表水、覆岩含水层水的影响也不可忽视,通常发生地表水溃入井下或顶板突水事故,往往与开采形成的导水裂隙带导通上部水体有关,究其原因是在水体下开采时,未按照《煤矿防治水细则》相关规定开展冒落带、导水裂隙带的实测工作,未结合导水裂隙带发育高度等参数设计防隔水煤(岩)柱尺寸,反之,在开采前按规定开展导水裂隙带实测工作,进行专项开采设计论证,留足防隔水煤(岩)柱,方可保证安全可采。因此,开展“三带”研究,实测冒落带、导水裂隙带发育高度可为水体下开采留设防隔水煤(岩)柱提供重要的技术参数,对预防顶板水害事故是非常重要的。

2.3 利于加强顶板控制

受限于特殊的地下开采环境,顶板管理一直是煤矿安全管理的重中之重。当煤层开采后,在矿山压力的作用下,采空区覆岩会发生垮落、断裂、弯曲、岩移等复杂破坏运动,对上覆岩层破坏影响除岩层本身力学性质、煤层埋深、倾角及推进速度等因素外,采高也是影响其的一大主因,冒落带与裂隙带的总厚度与采高基本上成正比关系,采高越大,采出的空间越大,必然导致采场上覆岩层破坏严重。生产实践和研究表明,采煤工作面支架上受到的力远远小于其上覆岩层的重量。只有接近煤层的一部分岩层的运动才会对工作面附近的支承压力和工作面支架产生明显的影响。所谓采煤工作面矿山压力控制,也就是对这部分岩层的控制。这部分岩层大约相当于上述三带中的冒落带和裂隙带的总厚度,一般为采高的6～8倍。综上,冒落带和裂隙带矿山压力控制是顶板管理的重点。

2.4 其他

综上,“三带”研究成果不仅可以作为优选高位瓦斯抽采层位、确定防隔水煤(岩)柱尺寸及顶板控制的重要技术依据,也可作为矿井地质及水文地质预测预报的参考依据。同时,可为与之地质条件相邻的矿井安全开采提供一定参考和借鉴。

3 “三带”研究注意事项及改进建议

近多年,随着“三带”研究技术的快速发展,其已广泛应用于煤矿生产实践中,且对煤矿安全生产发挥了重要的技术支撑作用,但在以下方面还需加以注意和改进。

3.1 理论计算采厚取值差异

“三带”高度理论计算通常采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中的经验公式,其中对于采厚取值,存在平均采厚和最大采厚取值的差异问题。鉴于采高因素对上覆岩层破坏影响很大,故以最大采厚取值进行冒落带、裂隙带高度计算比较合理。

3.2 冒落带高度实测难度大

确定冒落带的高度主要用于确定裂隙带的下界,避免钻孔施工过程中误穿造成事故和避免高位抽采钻孔受工作面通风在冒落带的影响降低抽采浓度和抽采效率。由于冒落带高度探测难度大,风险性又比较大,一般都是按照经验公式进行推算,而其结果可能与工程实践存在较大误差,故在钻孔施工设计时应充分考虑冒落带高度,意在施工中避开冒落带而直接钻入裂隙带降低施工风险,采用井下仰孔分段注水法和钻孔窥视技术对冒落带发育高度范围进行综合确定。

3.3 “三带”发育影响因素较多

“三带”高度及其分布特征十分复杂,受煤层采厚、煤层倾角、采矿方法、顶板管理、上覆岩层结构和岩性条件、基岩厚度、煤层埋深等众多因素控制影响。不同区域裂隙带高度存在差异,矿井在后续生产过程中应继续开展采空区上覆岩层裂隙带探测工作。

4 结语

“三带”研究在煤矿安全生产中有着重要的作用,能够为煤矿安全开采设计及防控灾害风险提供重要的技术支撑。主要体现在高位瓦斯抽采关键层位优选、预防顶板水害防隔水煤(岩)柱确定、顶板控制及地质预测预报等方面提供基础技术参数和依据。因此,开展“三带”研究对保障煤矿安全生产是十分必要的。