大倾角三软煤层综放面顶板泄水危害及控制

贠东风，谷　斌，陈广平，伍永平，杜荣华，雷　奇，刘　柱，张袁浩

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.窑街煤电集团有限公司 长山子煤矿，甘肃 山丹 734100)

大倾角三软煤层综放面顶板泄水危害及控制

贠东风1,2，谷斌1，陈广平3，伍永平1,2，杜荣华3，雷奇1，刘柱1，张袁浩1

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.窑街煤电集团有限公司 长山子煤矿，甘肃 山丹 734100)

[摘要]针对长山子煤矿大倾角三软煤层1125综放工作面顶板突发泄水问题，分析了矿井水文地质及工作面顶板岩层结构，得出顶板泄水原因为软弱顶板岩层受开采扰动损伤后，泥岩隔水层产生纵向裂隙继而向上扩展至含水砂砾岩层形成导水通道导致局部集聚的顶板水下泄。为抑制顶板泄水造成工作面支架失稳、阻碍运输系统以及劣化工作环境，采用探放与导排相结合的方法有效地控制了顶板泄水，并用动态扶架技术扶正了因泄水造成的倾倒支架，最终使工作面安全通过了泄水区。

[关键词]大倾角；三软煤层；综放工作面；顶板泄水；裂隙

近十多年来，随着开采条件优越的浅埋缓倾斜煤炭资源日益减少，甚至在有些矿区濒临枯竭，我国煤炭开采逐渐向埋藏深倾角大的难采煤层发展。大倾角煤层一般指倾角为35～55°的煤层，我国大倾角煤层储量约占煤炭总储量的14.05%。这类煤层具有开采难度大、覆岩结构复杂、“支架-围岩”系统稳定性差等特征[1-2]。影响大倾角工作面安全高效开采的因素很多，顶板泄水灾害时有发生，特别是水文条件相对简单的矿井，开采扰动顶板局部积水下泄影响工作面安全生产未引起足够重视。

长山子煤矿隶属甘肃省窑街煤电集团有限公司，1125工作面是该矿第二个回采工作面，开采煤层为大倾角三软不稳定煤层。在回采初期，工作面中下部顶板突发不同程度的泄水。顶板泄水造成工作面顶板强度弱化、支架空顶以及底板软化，严重影响了“顶板—支架—底板”系统的稳定性[3]。由于1125工作面煤质极松软，碎末软煤遇泄水形成煤泥，煤泥阻塞工作面运输设备，降低了工作面运输效率，导致下端部煤泥量大、机巷淤泥积水多、底板湿滑。恶劣的工作环境对工人安全作业造成了很大威胁。因此，分析1125工作面顶板泄水原因并有效控制，对指导矿井的安全高效生产具有重要的现实意义。

1工作面概况

1125工作面开采标高为+2200～+2230m，地面标高为+2603.5m，开采煤层为煤二-2，倾角25～38°,平均倾角32°，厚度不稳定，平均厚度6.8m，坚固性系数f=0.8，煤层赋存条件极复杂。煤层顶底板岩性特征如表1所示，顶板岩石总体按饱和单轴抗压强度标准值分类属软弱岩石，按软化系数分类属软化岩石；底板岩石总体按饱和单轴抗压强度标准值分类属极软～软岩类，按软化系数分类属软化岩石。1125工作面开采煤层煤二-2属大倾角三软不稳定煤层。

表1　煤层顶底板岩性特征

1125工作面于2015年5月22日初采。回采初期，1～28号支架处顶板突发不同程度泄水，泄水点主要集中在19号支架上侧。顶板泄水冲刷顶板泥岩及破碎软顶煤，造成支架空顶，使8～20号支架倾倒严重，倾角高达40～58°。顶板泄水前与泄水中支架倾角实测结果如图1所示。5月27日～6月14日顶板泄水趋于正常，涌水量约为9.8m3/h。在此期间，对受顶板泄水影响倾倒最严重的3副支架倾角进行跟踪实测，实测结果如图2所示，以动态掌握支架倾倒程度。顶板泄水还导致工作面中下部出现大量煤泥，煤泥频繁堵塞刮板输送机并迫使采煤机停机，致使采煤机开机率锐降。顶板泄水共持续25d，期间仅艰难地生产11d，停产14d，风巷和机巷分别累计推进仅8.4m和6.6m。因此，顶板泄水是造成1125工作面推进极其缓慢的主要原因之一。

图1　顶板泄水前泄水中支架倾角实测柱状

图2　18～20号支架倾角实测结果曲线

2顶板泄水分析

造成矿井水害的水源一般来自地表水、冲积层含水、砂岩类含水层水以及灰岩类岩溶水[4]。长山子煤矿井田整体呈单斜构造，构造比较复杂，水文地质条件简单，矿井涌水量小。1125工作面以煤二层顶板侏罗纪新河组砂砾岩含水层为直接充水含水层，该含水层充水为孔隙裂隙水，顶板岩层富水性的强弱影响着顶板水涌出量的大小[5]，经现场实测，工作面最大涌水量约为11m3/h，说明1125工作面顶板砂砾岩含水层富水性较弱。1125工作面机巷探巷施工中多处顶板锚索眼出水，钻孔涌水量特征均为初始出水大，逐渐变小直至疏干,证明含水层之上有数层泥岩隔水层，没有其他水源补给。

顶板侏罗纪新河组砂砾岩含水层是顶板水产生和补给的直接来源，是影响顶板稳定的关键岩层[6]。1125工作面受采动的影响，顶板泥岩隔水层产生纵向裂隙，裂隙向上发育至砂砾岩含水层形成导水通道，导致局部积聚的顶板水下泄，加之顶板岩层本身的物理力学性质软弱，与水作用发生崩解、破坏[7]，使工作面顶板强度弱化更加严重，最终裂隙贯穿顶板岩层，导致顶板出现泄水。由于裂隙窄小，通过裂隙补给水量有限，1125工作面顶板泄水呈现出水量小，水流时间长的特征。

3顶板泄水危害

顶板泄水危害主要导致大倾角工作面支架失稳、水煤泥阻塞运输系统以及造成工作面环境劣化。

3.1支架失稳

支架处于稳定状态时，支架在自身重力G、顶板对支架的合力Q、底板对支架的反作用力N以及左右相邻支架间的作用力P1，P2，顶底板对支架的摩擦力f1，f2的共同作用下保持平衡状态。支架平衡时的受力情况如图3所示。

图3　平衡状态下支架受力分析

在大倾角综放工作面，支架容易出现倾倒、滑移形式的失稳现象[8]。支架发生倾倒的根本原因是支架受力平衡遭到破坏，所受合力作用点偏出了支架的下边缘[9]。1125工作面顶煤较薄，且煤质松软，遇水泥化，煤层伪顶泥岩隔水层分布不均匀，砂砾岩含水层出水直接冲刷顶板泥岩和顶煤，导致松软顶煤沿工作面倾斜向上依次抽冒，直至顶煤冒空，最终支架失去顶板对其的约束，顶板对支架的合力Q以及摩擦力f1明显减小，甚至锐减为0；煤层底板岩石松软有滑面，局部含铝土质成分，遇水软化，顶板泄水浸泡底板造成支架底座下陷，加剧支架空顶；再者由于煤泥使底板与支架底座之间的摩擦系数变小，继而使f2减小，最终支架无法维持平衡状态，造成支架失稳倾倒。在顶煤冒空情况下，支架失稳受力分析如图4所示。

图4　顶煤冒空后支架失稳受力分析

3.2水煤泥阻塞运输系统

受顶板泄水影响，1125工作面下段支架倾倒严重，支架倾角、架缝均较大，破碎冒漏的顶煤在刮板输送机上积聚，碎末软煤和顶板泄水作用形成煤泥，煤泥阻塞刮板输送机，导致刮板输送机发生故障；同时，煤泥水还会减小胶带输送机传动滚筒与胶带输送机输送带之间的摩擦力，造成胶带输送机打滑，影响煤炭正常运输；煤泥进入煤仓时，在溜煤眼处积聚固结成团块，阻塞煤仓的溜煤口，造成煤无法溜出，被迫采用爆破松动处理，严重影响了煤炭正常运输。

3.3作业环境劣化

顶板泄水造成1125工作面底板湿滑，加大了工人的操作难度和人工清理浮煤的劳动强度。由于工作面倾角较大，煤泥受泄水冲刷沿工作面向下流动，在机巷淤积，造成机巷在距离工作面100m左右的范围内积水和煤泥淤泥严重，深度达300mm，行走、作业异常困难。

4顶板泄水控制

长山子煤矿是新建矿井，在开采第一个工作面时未曾发生过水害。1125工作面出现顶板泄水属于突发情况。为减轻顶板泄水影响，抑制工作面环境恶化，结合上述工作面地质条件以及泄水分析，提出以下几项顶板泄水控制措施并付诸实施。

4.1探放与导排

探放1125工作面总体泄水量不大，但是不能排除顶板含水层中有较大孔隙的存在，在工作面回采过程中，在机巷超前布置探水钻孔对工作面顶部进行探放，以达到减小顶板泄水至工作面中。由于煤层顶板软弱且易碎，大间距布置钻场，向靠近工作面方位呈扇形同时布置多个探水钻孔，终孔进入砂砾岩含水层裂隙带，超前钻孔布置如图5所示。经现场实测，采用钻孔放水后，工作面支架顶部泄水量减小为0.6～1.1m3/h。

图5　超前探水钻孔布置示意[10]

导排对于工作面泄水严重位置，在支架下方沿工作面倾向向下悬挂废旧风筒布呈槽型，然后在下端头将其与导水用废旧风筒连接，风筒呈背向工作面3～5°俯角布置，以此将支架顶梁处的泄水导流至机巷中的临时水仓，风筒导水布置如图6所示。针对机巷积水问题，及时清理巷道，挖好排水水沟，用水泵将机巷的积水以及从探水钻孔疏放出的顶板水排出，防止水在机巷积聚。

图6　导水用的废旧风筒布置示意

4.2支架稳固

大倾角煤层综放开采的核心是工作面支护系统的稳定性[3]。为了防止顶板泄水造成工作面支架失稳，对顶煤破碎、空顶区域及时绞顶，使支架能够有效支撑顶板，恢复顶板对支架的约束力；使用单体支柱斜撑支架以防支架倾倒；在架前打护帮护顶超前锚杆，以防顶煤漏冒。针对顶板泄水使底板软化而造成底座下陷的支架，用液压支架抬底装置抬起支架底座后移架。

4.3动态扶架

对1125工作面受泄水造成倾倒严重的支架采用动态扶架技术[11]，即在扶起倾倒支架的同时迅速拉架，支架贴紧煤壁后立即升架确保支架接顶并达到额定初撑力，再将支架与上部稳定支架用“链条+千斤顶”相连，加装防倒防滑装置，防止支架再次倾倒。重复以上操作，依次由上而下扶起倾倒的支架，直至所有倾倒的支架被扶正。

5结论

1125工作面顶板水来自煤二层顶板侏罗纪新河组砂砾岩含水层的局部积水；1125工作面顶板泄水是由于受采动影响，泥岩隔水层产生纵向裂隙向上扩展至含水砂砾岩层形成导水通道，导致局部积聚的顶板水下泄；顶板泄水冲落了软顶煤并沿倾斜向上抽冒导致支架空顶，弱化了顶板强度并造成工作面支架倾倒失稳；所采取的探放和导排水措施有效地抑制了1125工作面的顶板泄水；采用动态

扶架技术扶正了大倾角三软煤层因顶板泄水造成的倾倒支架；采用控制顶板水害和动态扶架综合措施使大倾角三软煤层综放工作面安全通过了顶板泄水影响区。

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[责任编辑：张玉军]

Water Inrush Hazard and Controlling in Roof of Fully Top Coal Caving Face with Large Inclined Angle Three-soft Seam

[收稿日期]2015-11-27[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.033

[作者简介]贠东风(1962-)，男，陕西临潼人，教授，主要从事巷道支护、复杂煤层开采与系统复杂性方面的教学与科研。

[中图分类号]TD745

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2016)03-0125-03

[引用格式]贠东风，谷斌，陈广平，等.大倾角三软煤层综放面顶板泄水危害及控制[J].煤矿开采，2016，21(3)：125-127，84.