带压开采工作面顶板“三带”测试技术研究.pdf

★煤炭科技开拓与开采★ 带压开采工作面顶板 “三带”测试技术研究杨彦群（山西焦煤集团公司技术中心，山西省太原市，０３００５３）摘要以镇城底煤矿８＃煤层为研究对象，依据８＃煤层顶板工程地质条件和水文地质条件，分析综采放顶带压开采条件下 “ 三带”特征，通过现场钻探压水试验，系统研究了主采煤层 “ 三带”发育特征和覆岩破坏规律，为三水平大巷设计布置及未开采区工作面防水煤柱的留设提供科学依据。关键词综放工作面带压开采三带测试技术中图分类号ＴＤ８２３．９７文献标识码ＢＳｔｕｄｙｏｎ“ｔｈｒｅｅｚｏｎｅｓ“ ｔｅｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅＹａｎｇＹａｎｑｕｎ（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，ＳｈａｎｘｉＣｏｋｉｎｇＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ０３００５３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴａｋｉｎｇｔｈｅＮｏ．８ｃｏａｌｓｅａｍｏｆＺｈｅｎｃｈｅｎｇｄｉＭｉｎｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｎ－ｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＮｏ．８ｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇ“ｔｈｒｅｅｚｏｎｅｓ“ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｍｉｎｉｎｇ．Ｓｉｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｔｅｓｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｏｎｍａｉｎｓｅａｍ“ｔｈｒｅｅｚｏｎｅｓ“ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎｆａｉｌｕｒｅｌａｗ．ＴｈｅａｂｏｖｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒｔｏＮｏ．３ｌｅｖｅｌｔｕｎｎｅｌｌａｙｏｕｔａｎｄｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒｌｅａｖｉｎｇｔｏｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎｎｏｎ－ｍｉｎｉｎｇａｒｅａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｔｏｐｃｏａｌｃａｖｉｎｇｆａｃｅ，ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｍｉｎｉｎｇ，ｔｈｒｅｅｚｏｎｅｓ，ｔｅｓ－ｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ综采放顶煤开采具有产量高、经济效益好等特点，得到越来越广泛地应用。但此法开采引起的覆岩破坏严重，特别是在煤层与上覆采空区或者含水层（体）、下伏承压含水层（奥灰含水层）相距不远时，由于开采引起的采动裂隙带厚度大，导水裂隙带波及含水层或者采空区，使井下巷道或工作面的淋水、涌水量增加，甚至发生溃砂、溃水事故，给井下生产和工人的生命安全带来很大的威胁。本文通过井下仰（俯）孔注水测漏法，研究了综采放顶开采方式形成的顶板冒落带、导水裂缝带、弯曲下沉带高度及其发育规律以及底板导水破坏带和完整岩层带的高度及其发育规律。为煤矿安全生产及防治水提供可靠的水文地质资料。１工作面概况镇城底矿２８１０３工作面地表位于独兰村以南，黑豆山以东，歇马村以北，赤泥岩以西，官长沟一带，８１５钻孔附近，覆盖层厚度为２４３～３３８ｍ。２８１０３工作面井下位于南一采区，南接南一下组轨道巷、运输巷和回风巷，其他相邻区域为未采区，是南一采区下组煤首采工作面。工作面所采煤层为８＃煤层，煤层稳定，煤层厚度为４．４６ｍ，煤层整体呈宽缓的背斜和向斜构造，背斜轴向北８２西，向斜轴向南８０西，煤层倾角１１左右。８＃煤层顶板岩层主要是由泥岩和石灰岩组成，老顶为石灰岩，厚度３．８４ｍ，直接顶为石灰岩，厚度２．５８ｍ，伪顶为泥岩，厚度为０～０．２ｍ；底板主要由砂质泥岩组成，直接底为砂质泥岩，厚度５．８ｍ，老底为砂质泥岩，厚度５．７ｍ。２８１０３工作面水文地质情况较复杂，属带压开采，工作面标高低于奥灰静止水位标高６２～１０８ｍ，底板最大突水系数为０．０３７ＭＰａ／ｍ。顶板０５中国煤炭第３７卷第１２期２０１１年１２月Ｌ１、Ｋ２、Ｌ４３层灰岩水是该工作面充水的主要水源，正常情况下，工作面仅有滴水、淋水现象，工作面正常涌水量为５．０ｍ３／ｈ，最大涌水量为３０ｍ３／ｈ。２压水试验实施方案２．１实施方案２．１．１井下仰（俯）孔注水测漏法井下仰（俯）孔注水测漏法是在井下工作面的外围巷道或硐室中，向工作面内斜上方打小口径仰斜钻孔，钻孔穿过预计的覆岩破坏范围并超过预计顶界一定高度，采用钻孔双端堵水器对钻孔进行逐段封隔注水，测定各孔段漏失量变化情况，以此确定覆岩破坏规律。井下仰（俯）孔注水测漏法示意图见图１。图１井下仰（俯）孔注水测漏法示意图２．１．２钻孔技术参数试验孔位于２８１０３工作面南一下组上部车场副巷开口处，开孔处层位为８＃煤层底板，岩性为砂质泥岩。根据试验点工作面煤系地层特征及钻孔技术要求，考虑钻进时８＃煤层顶板砂质泥岩较破碎，施工时选择ＺＤＹ－１２００Ｓ（ＭＫ－４）型煤矿用全液压坑道钻机。顶板试验钻孔沿方位３７方向施工，钻孔仰角４８，设计孔深９４．５３ｍ，实际终孔深度为９６．８９ｍ。底板试验钻孔沿方位３７方向施工，钻孔俯角－３９，设计孔深２８．２８ｍ，实际终孔深度为２４ｍ。２．１．３观测钻孔施工试验孔开口先用 １２７ｍｍ钻头钻进，钻进至３．５ｍ，下 １０８ｍｍ套管３ｍ，套管外侧焊接一个配套法兰盘并配备闸阀，并用高标号水泥封套管外壁与钻孔中间空隙。然后用 ７５ｍｍ钻头钻进，直至终孔，终孔后关闭套管闸阀，防止采空区中积水和瓦斯大量涌入工作面。３试验结果３．１顶板 “ 两带”高度的判断（１）冒落带判断。由于冒落带岩石破碎，所以当钻进至冒落带时孔内反水会突然减小或无反水，并有明显的卡钻现象，而钻头穿过冒落带后孔内反水会突然增大，卡钻现象消失，并且通过压水试验水量变化特征（冒落带水量大于裂隙带水量），据此可以正确判断冒落带顶点位置。实际施工时，当钻孔钻进到１０．２ｍ时孔内反水突然减小，再往前钻进有明显的卡钻现象，可以判断从孔深１０．２ｍ进入冒落带。钻进至１６．２ｍ时卡钻严重，孔内无反水，继续钻进，到３２．７ｍ时钻进时反水正常，无卡钻现象。在钻进的过程中分别在１０．２ｍ、１６．２ｍ、２８．２ｍ、３２．７ｍ的时候做压水试验，顶板钻孔施工压水试验数据见表１，钻孔深度与压水流量关系见图１。由表１和图１看出，在相同的压力下，钻孔在１０．２ｍ、１６．２ｍ和２８．２ｍ深时，压水流量分别为２．２５ｍ３／ｈ、２．３ｍ３／ｈ和２．１２ｍ３／ｈ；在３２．７ｍ深时，压水流量为０．７５ｍ３／ｈ，压水流量明显小于前面的流量。据此判断在孔深３２．７ｍ穿过冒落带进入裂隙带。（２）裂隙带判断。裂隙带的判断依据是压水试验结果。当钻孔进入裂缝带后，在相同的压力下，压水水量基本保持一致。由于裂缝带存在大量裂隙，所以只要没有过裂隙带，在一定的压力下，新钻进的孔段就可以顺利压入大量的水。由表１和图１看出，当钻进至６５．７ｍ、７６．２ｍ、７９．２ｍ时分别做压水试验，压水流量在０．６８～０．７５ｍ３／ｈ的范围变化，当钻进至孔深８８．２ｍ处压水时，压水困难，压水流量为０．２１ｍ３／ｈ，说明钻孔在８８．２ｍ已穿过裂隙带。为了进一步证实是否穿过裂隙带，又继续钻进到９１．２ｍ进行压水，水流量变化特征与８８．２ｍ处相似，所以判定８８．２ｍ处为裂隙带的顶１５带压开采工作面顶板 “ 三带”测试技术研究点。根据钻探和压水试验结果，确定２８１０３工作面试验孔处８＃煤层的覆岩冒落带大约在孔深１０．２～３２．７ｍ之间，即冒落带高度为１６．７２ｍ，裂隙带大约位于孔深３２．７～８８．２ｍ之间，裂隙带高度为４１．２６ｍ，如图３所示。表１顶板钻孔施工压水试验记录钻孔深度／ｍ垂距／ｍ地层岩性压水水压／ＭＰａ压水流量／ｍ３ｈ－１压水时间／ｓ压水总量／ｍ３１０．２７．５８细粒砂岩０．６２．２５４８０．０３１６．２１２．０４砂质泥岩０．６２．３４７０．０３２８．２２０．９５砂质泥岩０．６２．１２５１０．０３３２．７２４．３粉砂岩０．６０．７５１４４０．０３６５．７４８．８２细粒砂岩０．６０．７１５４０．０３７６．２５６．６２砂质泥岩０．６０．６８１５９０．０３７９．２５８．８５泥岩０．６０．７１１５２０．０３８８．２６５．５６中粒砂岩０．６０．２１５１４０．０３９１．２６７．７７砂质泥岩０．６０．１９５６８０．０３３．２底板采动破坏带的判断底板采动破坏带的判断依据是压水试验结果，见表２。当钻孔进入破坏带后，在相同的压力下，压水水量基本保持一致。由于破坏带存在大量裂隙，所以只要没有穿过破坏带，新钻进的孔段就可以顺利压入大量的水，且压力不大。由表２可知，当压力为１．０ＭＰａ时，钻孔深度分别为６．４ｍ、１５．１ｍ、２０ｍ、２４ｍ做压水试验，压水流量分别为０．６４８ｍ３／ｈ、０．６４１ｍ３／ｈ、０ｍ３／ｈ、０ｍ３／ｈ；在压力为２．５ＭＰａ时，钻孔深度在２０ｍ、２４ｍ做压水试验，压水流量分别为０．０１３ｍ３／ｈ、０．０１５ｍ３／ｈ。由此看出，当钻孔深度低于２０ｍ时，压水流量能保持一个较高的数值，而当钻孔深度大于２０ｍ时，压水流量突然降低，即使增加压水压力，效果也不明显，因此，可以判定，当钻孔深度小于２０ｍ时，底板处于导水破坏带，而钻孔深度大于２０ｍ时，底板进入完整岩层带。根据钻探和压水试验结果，确定２８１０３工作面８＃煤层试验孔处底板采动破坏带大约在孔深２０ｍ左右，即底板采动破坏深度１２．６ｍ，如图４所示。表２底板钻孔施工压水试验记录钻孔深度／ｍ垂距／ｍ地层岩性压水水压／ＭＰａ压水流量／ｍ３ｈ－１压水时间／ｓ６．４４砂质泥岩１．００．６４８６０１５．１９．５砂质泥岩１．００．６４１６０２０１２．６泥岩１．０２．５０．００．０１３３０３０２４１５．１泥岩１．０２．５０．００．０１５３０３０（下转第５９页）２５中国煤炭第３７卷第１２期２０１１年１２月掏槽孔，排距０．８ｍ左右，辅助孔间距０．５ｍ、炮孔深２．５ｍ。采空区侧的辅助孔方向偏向煤壁，煤壁侧的偏向采空区，与切顶线各成５夹角，上仰角７５左右；掏槽孔方向平行切顶线，眼深２．８ｍ左右，上仰角６５左右，见图１。（４）炸药采用乳化炸药，采用合格的１～５段煤矿许用毫秒延期电雷管，总延期时间不超过１３０ｍｓ，装药后剩余的炮孔用水炮泥封实。（５）爆破前将采空区支设的接顶木垛拆除３～４层，同时拆除所增打的抬棚，防止抬棚和木垛支撑顶板，造成顶板垮落不及时影响爆破效果。同时，对支架顶部裸露的部分用煤袋或荆芭进行覆盖保护，防止岩石直接砸落在支架顶梁上损坏支架。（６）爆破采用毫秒爆破，一次装药、一次起爆，由机尾向机头顺序正向爆破。６预裂爆破强制放顶注意事项（１）要求现场配备１台保证安全起爆的放炮器，母线长度不小于３００ｍ。（２）毫秒爆破必须采用串联，不得采用并联或混联。装配起爆药卷、爆破母线连接脚线、检查线路和通电工作，只准爆破工１人操作。（３）爆破前由电工负责将采面所有电器设备停电闭锁，并严格落实停送电管理规定。爆破前用注液枪向爆破地点采空区侧空顶范围全断面充分洒水降尘，稀释有害气体。（４）爆破时要严格执行 “ 一炮三检制”和 “ 三人连锁放炮制” ，爆破地点附近２０ｍ范围内瓦斯浓度达到０．８％时，严禁爆破。７效果分析（１）工作面预裂爆破强制放顶共打炮孔３排，掏槽孔１８个，两边辅助孔３４个，爆破后，破坏了顶板形成的自然平衡拱，顶板在爆破位置断裂垮落，并和原切巷顶板垮落段连在一起，垮落的岩石基本上充满了采空区，消除了大面积悬顶带来的事故隐患。由于提前采取了支架加固等防护措施，爆破和顶板垮落对支架造成的冲击不大，取得了较好效果，使工作面在短时间内恢复了正常生产，取得了较好的安全效益和经济效益。（２）预裂爆破强制放顶工作是悬移支架工作面强制放顶工作的一次大胆探索，取得了较好的效果，为同类条件下的悬移支架工作面强制放顶工作积累了经验，对类似条件下的工作面强制放顶具有一定的借鉴和指导意义。参考文献［１］刘文．大同 “ 两硬”综放工作面顶煤 “ 注水－爆破” 联合弱化技术［Ｊ］．中国煤炭，２０１１（６）作者简介谢超（１９６２－），男，河南新密人，高级工程师，现任郑州煤电副总经理、郑州煤电米村煤矿矿长、党委副书记。（责任编辑张毅玲檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶）（上接第５２页）图４钻孔揭穿底板破坏带示意图４结论根据钻探和压水试验结果，２８１０３工作面试验孔处８＃煤层覆岩冒落带高度１６．７２ｍ，裂缝带高度４１．２６ｍ，底板导水破坏深度１２．６ｍ。通过压水试验的结果为镇城底矿拟建采区和工作面防水煤柱的留设、综放开采留采比的确定、煤层气抽采、带压开采提供了参考。参考文献［１］徐玉增．葛泉矿带压开采下组煤底板破坏深度探测研究［Ｊ］．中国煤炭，２０１０（４）作者简介杨彦群（１９６６－），男，河北获鹿县人，高级工程师，长期从事采煤、掘进技术的研究和管理工作，现任山西焦煤集团公司技术中心副主任。（责任编辑张毅玲）９５预裂爆破强制放顶技术在悬移支架工作面的应用

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