薄基岩区顶板高水压工作面安全开采技术应用研究_段志鸿.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 1工程概况 霍州煤电集团店坪煤矿位于山西省吕梁地区方 山县西南约 30km 处大武镇水源村杨家塔村木 瓜里村一带，该矿现阶段主要进行 5、 9 煤层的开 采， 5 煤层厚度在 2.6～3.0m之间， 工作面范围内煤层 较稳定， 含有两到三层夹矸， 夹矸多为砂质泥岩， 厚度 在 0.2～0.35m之间， 为井田内稳定可采煤层。煤层倾 角为 6～8， 属于缓倾斜煤层。煤层顶板为砂岩， 底 板为砂质泥岩， 煤 （岩 ） 层赋存特征见表 1。 表 1顶底板岩性特征表 即将进行回采的 5- 211 工作面位于该矿东部的 二盘区， 工作面北部与回风大巷相邻， 东侧为 5- 207 工作面采空区，西侧为未采掘的 5- 209 工作面， 5- 211 工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高 采煤工艺。采用顶板仰上孔探测和三维地震勘探技 术， 分析 5- 211 工作面上覆岩层的基岩厚度和顶板松 散岩层的富水性，基岩厚度等值线对比图如图 1 所 示， 5- 211 工作面具有煤层埋深浅， 基岩薄的特点， 工 作面开采过程中面临较大的突水溃砂等事故的威胁， 为对 5- 211 工作面水体下采煤进行综合的安全性评 价， 确保工作面的安全开采展开相关的研究。 图 15- 211 工作面顶板物探与钻探成果对比图 薄基岩区顶板高水压工作面安全开采技术应用研究 段 志 鸿 （霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司地质处 ，山西 方山 033100 ） 摘要 霍州煤电集团店坪煤矿 5 煤层工作面的开采受到突水溃砂的严重威胁， 为保证即将进入采 掘阶段的 5- 211 工作面的安全回采， 通过理论分析、 计算及数值模拟等方法， 得知影响防砂安全煤 （岩 ） 柱稳定性的因素主要有采煤工作面上覆岩层破坏情况及顶板高压水的影响， 设计采用探放孔对 顶板高压水进行超前疏放， 在基岩变薄区域采用限高开采技术 （采高 2.2m ） 进行开采， 现场应用效果 表明， 该方法成功的防止了工作面顶板突水溃砂事故的发生， 实现了工作面的安全高效回采。 关键词 薄基岩 ； 高压水 ； 数值模拟 ； 理论计算 中图分类号 TD745文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0001- 03 Application research on safe mining technology of high hydraulic pressure working face in thin bedrock area DUAN Zhihong Geological Department, Luliangshan Coal and ElectricityCo.,Ltd.,Huozhou Coal and ElectricityGroup Co.,Ltd. ,Fangshan 033100, China AbstractHuozhou coal group shop ping5 coal seamworkingface ofcoal mine water inrush and supervisingthe serious threat ofsand min- ing, in order toensure the enteringminingphase 5- 211 workingface ofsafetymining, through the theoretical analysis and calculation and nu- merical simulation s, that influence the stability of sand control safety coal rock column factors mainly include coal mining and roof strata condition on the surface ofhigh pressure water and the effect ofdesign USES ground put holes was carried out on the roof of high pres- sure water advance ShuFang, utilizing limited high mining technology in the bedrock thinning area2.2 m mining height are broken in drilling, field application results indicate that This successfully prevents the occurrence of roof water inrush and sand burst on the workingface and realizes the safe and efficient miningon the workingface. Keywords Thin bedrock ； High pressure water ; Numerical simulation ; Theoretical calculation; 顶底板名称岩石类别厚度 （m ）岩性 老 顶细砂岩 0.40-7.10 5.20 灰色细砂岩长石分化成褐色斑点 直接顶砂质泥岩 1.39-8.70 2.80 深灰色砂质泥岩含大量的根化石 伪顶砂质泥岩 0.10-0.70 0.40 灰色砂质泥岩， 易碎 直接底砂质泥岩 2.10-4.20 3.20 深灰色砂质泥岩含根化石 老 底细砂岩 0.80-3.50 2.00 灰褐色细砂岩 1 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 2突水溃砂原因分析 店坪煤矿 5- 207 工作面回采过程中， 顶板出现了 较为严重的突水溃砂现象， 根据现场对顶板岩层探测 钻孔的资料，发生该现象的位置基岩厚度一般为 25～30m， 在钻孔钻进过程中， 松散层底部的土层强度 很低， 该出砂区域为砂砾 “天窗区” 。5- 207 工作面采 高约为 3m，根据设计规程的要求计算防砂安全煤柱 厚度为[1～2] HsHmHb 式中 Hs为防砂安全煤 （岩） 柱厚度， 单位 m； Hm 为垮落带高度， 单位 m； Hb为保护层厚度， 单位 m； 图 2防砂安全煤 （岩） 柱计算模型 防砂安全煤 （岩） 柱计算模型如图 2 所示， 采用 “三下” 采煤规程 中硬覆经验公式计算得到 5 煤层 开采垮落带的高度为 9.06m， 保护层的厚度取三倍的 采高为 9m，所以 Hs19.06m， 5- 207 工作面实际生产 过程中留设的防砂煤柱厚度为 20m， 仍发生了突水溃 砂事故， 由此说明， 原防砂安全煤 （岩） 柱厚度的确定 方法在楔形保水压结构下适用效果很差。 根据经验公式 [3]， 5- 207 工作面开采顶板导水裂 隙带发育高度为 29.8m， 导水裂缝带高度大于突水溃 砂区域的基岩厚度， 由于工作面的采动影响， 楔形保 水压结构中的高压含水层内的水沿导水裂隙携带沙 粒涌入工作面， 因此防砂安全煤 （岩） 柱的稳定性受 到顶板高压水的影响。防砂安全煤岩柱由顶板垮落 带和保护层组成，其中保护层的稳定性是工作面防 止发生溃砂的安全保障，对阻水阻砂起着关键的作 用， 若导水裂隙带将保护层贯穿后， 高水压渗流作用 使风化泥岩的采动裂缝瞬间得以扩展，当裂隙扩展 到一定的程度， 保护层完全失稳， 继而导致工作面发 生突水溃砂事故， 因此顶板高压水的工作面开采时， 防砂安全煤 （岩 ） 柱的厚度应充分考虑顶板导水裂隙 带的发育情况， 确保防砂安全煤 （岩 ） 柱的稳定性。 3覆岩破坏数值模拟分析 为更加合理的确定 5- 211 工作面高压水体下采 煤安全煤 （岩 ） 柱的厚度， 根据该工作面详细的地质条 件， 采用离散元模拟软件[4～5]对薄基岩区工作面回采时 上覆岩层的运移规律进行研究， 建立如图 3 所示的数 值模型， 模型尺寸 长宽高 200300120m， 煤 层厚度为 3m， 覆岩厚度为 100m， 根据工作面埋深的 实际情况在上部施加 3.5MPa 的均布载荷，模型上边 界为自由边界， 下部边界为固定边界， 垂直方向上位 移为 0， 两侧的边界 x方向为固定铰支座， y方向无位 移约束。模拟过程 工作面每推进 10m 平衡一次， 共 模拟开挖 120m。 图 3数值模型 （a ）工作面推进 20m（b）工作面推进 40m （c ）工作面推进 80m（d）工作面推进 120m 图 4覆岩位移垮落模拟结果 由于篇幅所限，仅将典型的模拟结果展示在图 中， 由模拟结果可以看出， 当工作面回采 20m 时， 直 接顶破碎垮落，老顶发生初次断裂，老顶破断形成 “短砌体梁” 结构， 工作面出现较为显著的来压现象； 工作面推进 40m 时， 采空区上覆岩层的垮落高度和 垮落范围明显增大，失稳岩体的边界初次出现较小 的 “马鞍” 型， 老顶周期性破断形成规则的块体， 沙土 层出现较大的变形，呈台阶状下沉；当工作面推进 80m 时， 覆岩破坏形成的” 马鞍” 型变得明显， 顶板岩 层进一步位移， 顶板岩层的破坏高度达到 34m； 工作 面推进至 120m 时，上覆岩层呈马鞍型破坏范围增 2 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 大，导水裂缝带高度与工作面回采 80m 时基本相 同， 岩层移动角为 75左右， 覆岩的破坏范围在采 空区前后边界附近达到最大，导水裂隙带高度约为 35m。 4高水压下工作面安全开采技术 根据以上研究可知，导致回采工作面发生突水 溃砂事故的主要原因为顶板岩层内的高压水及工作 面回采导水裂隙带的发育，店坪煤矿 5- 211 工作面 回采过程中， 由以上两点出发， 对高水压防砂安全煤 （岩） 柱的失稳进行防治。5- 211 工作面回采巷道掘 进过程中， 上、 下顺槽每间隔 100m 布置一个钻场， 对顶板基岩厚度及涌水情况进行探查，根据模拟分 析的结果， 顶板岩层基岩的厚度应当大于等于 35m， 当基岩厚度达到该要求时，每个钻场施工 2～3 个钻 孔对上覆岩层内的高压水进行疏放；当基岩厚度小 于 35m 时， 加强顶板的探测和高压水的疏放， 探测 孔终孔间距小于等于 30m，每个钻场根据实际情况 适当的增加探查孔的数量，钻孔的布置详情如图 5 所示。 （a ）顶板基岩厚度小于 35m （b）顶板基岩厚度大于 35m 图 55- 211 工作面顶板探查孔布置示意图 5- 211 工作面局部区域基岩厚度小于 30m， 仅通 过工作面疏水降压并不能完全避免工作面突水溃砂 的威胁， 在此区域采用限厚开采技术， 正常回采阶段， 工作面采高为 3.0m，在基岩变薄区域工作面采高为 2..2m， 限厚开采的范围如图 6 所示， 工作面推进过程 中， 严格执行工作面探放水、 开采技术和防水防砂安 全等措施，最终完成了整个工作面的安全高效回采， 取得了显著的经济和社会效益。 图 65- 211 工作面限厚开采范围 5结论和建议 根据店坪煤矿 5- 211 工作面顶板仰上孔探测和 三维地震勘探结果， 5- 211 工作面顶板岩层基岩的厚 度在 20～35m之间， 工作面回采面临较大的顶板突水 溃砂的威胁， 通过理论分析和数值模拟得知， 工作面 突水溃砂的主要由于顶板岩层内的高压水和工作面 回采形成的导水裂隙带，因此， 5- 211 工作面回采前 对顶板高压水进行超前探放， 在基岩变薄带通过限高 开采 （采高 2.2m ） 来控制导水裂隙带的发育高度， 最 终实现了 5- 211 工作面的安全高效开采， 取得了良好 的经济效益和社会效益。 参考文献 [1] 李建军,刘文岗.浅埋煤层薄基岩富水区域综采面初采安 全技术与应用[J].煤炭工程,2018,50 （06） 85- 88. [2] 张海军,李饶荣,种德雨,杜江.浅埋薄基岩采场覆岩破断 运移规律研究[J].能源技术与管理,2017,42 （06） 44- 46. [3] 唐胜利,孟庄涵,徐拴海,刘小平.薄基岩浅埋煤层开采覆 岩移动演化规律分析[J].矿业安全与环保,2016,43 （06） 88- 91. [4] 张红伟,张勇利.复杂地形区薄基岩浅埋煤层防治砂层水 技术研究[J].山东煤炭科技,2015 （10） 135- 137. [5] 连会青,夏向学,冉伟,晏涛.厚松散层薄基岩浅埋煤层突 水溃砂的可能性分析[J].煤矿安全,2015,46 （02） 168- 171. 作者简介 段志鸿 （1993.11-） ， 汉族， 山西方山人， 本科， 2015 年 7 月，毕业于中国矿业大学 （北京） 采矿工程专业， 现工作于霍 州煤电集团吕梁山煤电有限公司地质处， 助理工程师。 （收稿日期 2019- 6- 25） 3 ChaoXing