1403E工作忙涌水及其控制技术.pdf

翟 镇 煤 矿秒 7 归 ‘ ／ 1 4 0 3 E 工 作 面 涌 水 及 其 控 制 技 术 新 忮 矿 业 集 团 公 司 翟 镇 煤 矿 朱 行 刮，形7 侈 摘要针对翟镇煤矿 1 4 0 3 EI作面在初采期 间出现的较大涌水现象， 分析 j 工作面涌水与上覆岩层运动的关系， 并提 出了行之有效的控制措施。 关键词上覆岩层涌水量推进距离 1 工作面地质与生产条件 翟镇煤田位于新汶 向斜 中段 ． 煤系地质年 代为石炭一、 二叠纪， 现正开 采二层、 四层两个 煤层， 由于煤层间距在 2 0m 左右， 一采区采取 二层、 四层联合开采， 以轨道上山、 运输上 山、 回 采上山为 中心在东西两翼布置走 向长壁工作 面， 现二层煤已全部采完． 1 4 0 3 E工作面上部对 应的是 1 2 0 3E工作面采空区， 分别位于采 区东 翼、 四层煤和二层煤的最下部。 1 4 0 3E工 作面位于 一采轨道 E山以东， 东 革工业广场煤柱， 西为正在 回采的 1 4 0 3W 工 件面， 南为 1 4 【 ] 2El 作面采空区， 北以 R 大断 层为界； 上限标高 一2 6 1m， 下限标 高 一2 9 3m； 走向长度 7 5 0m， 倾斜长度 9 2m； 平均采高 27 r f ] ， 倾角 1 2 。 ～1 8 。 见图 1 ； 直接顶为 1 ． 5 ～3 ． 0 m 的深灰色粉砂岩， 性脆易冒落 ； 基本顶为厚层 中细砂岩， 钙质胶结； 底板为厚约 3m的砂页岩 互层， 钙质胶结。 工作面采用机采， 为单一走向长壁， 区内后 退式一次采全高， 全部垮落法管理顶板。 2 工作面涌水简介 1 4 0 3E工作面 自 1 9 9 8年 1月 1日从切眼 开始初采， 1月3E l 工作面在推进 5m时， 直接 顶已全部垮落． 同时在工作面下隅角开始有少 氆渗水汇入下平巷、随着上作面的推进 ， 下隅 6 图 l 1 4 0 3 E工作面 平面图 ①采区回风上 山位于轨道上山下部投影响下 虚线表示的巷道是原1 2 0 3 E工作面的上、 F 平巷和切眼 角处的渗水量越来越大， 开始出现积水， 1月 7 日工作面推进 1 2m时， 水量突然增大， 由渗水 变为涌水， 水量达 1 5m’ ／ h ， 虽然采用 2台 B型 清水泵排水及用砂袋挡水的措施． 但积水深度 仍保持在 1 ． 1m左右， 且无 明显回落迹象。为 此， 紧急 嗣用大 流 量多级 离 心泵及 内 径 1 0 8 mm的大i L 径管道进行排水， 水 位开始下降， 从 1月7日到 1月 1 6日涌水量在 1 2 ～2 1 r n 3 ／ h之 间波动， 当工作面同性放顶时， 涌水量便明显增 维普资讯 加． 最大达 1 8m ’ ／ h ； 工作面 出现周期来压时， 涌水增长量更为显著， 最大达 2 1m’ ／ h ； 1月 2 0 日． 工作面推进 3 7m时， 涌水量达到 2 3m ’ ／ h ， 之后 。 水量一直稳定在 2 0m’ ／ h左右。2月 3 日， 工作面推进 6 4m时， 涌水量达到 2 6一／ h ， 2月 5日以后． 水量明显减少 ， 一直没有超过 1 0 m3 ／ h ， 2月 1 2日， 工作面推进 8 0m时， 涌水量 基本消失。 3 工作面上覆岩层运动规律分析 3 ． 1 推进 方向 工作面从切 眼推进起， 顶板离 层组 合成传 递岩梁， 形成堆砌结构， 在初次运动期间． 岩梁 形成两端等高的假塑性梁和临时拱， 在周期来 压期间， 岩粱形成两端 不等高的铰接岩梁和临 时拱． 随着工作面的推进， 岩梁不断出现周期性 断裂、 回转 ， 致使原堆砌结构失稳而形成新的堆 砌结构。 如此周而复始， 直至工作面结束。 3． 2纵向 纵向运动与推进方 向的运动是同时进行 的。随着工作面从切眼开始推进， 上覆岩层悬 露到一定跨度并弯曲沉降到 一定限度后， 强度 低的夹层在层问剪应力下首先破坏， 出现离层， 并为下部岩层的自由沉降创造了条件， 因此上 { 鼍 f 岩层纵向破断规律 一般是 由下而 七 逐步发展 的。岩层分离后， 上下岩层运 动滞后的时问由 两岩层的强度 包括岩性 、 厚度、 裂隙情况 差别 决定． 上部岩层强度越高， 其运动滞后的时问越 长 ； 相反． 强度很低的岩层将随高强度的下部岩 层同时运动。应当指出的是 岩层的厚度相对 于岩层的弹性模量来讲， 对岩层离层和组台运 动产生的影响要重要得多。 3 ． 3 1 4 0 3 EI作面上覆岩层的运动情况 E _F h z下 ≥K。 EE h ’ ， 两岩层同时运动； E Th z下 ≤K。 EL h l ， 两岩层单独运动 式中E岩粱弹性模量； 岩梁厚度 ； K岩梁跨度差别系数。 结合工作面地质柱状图分析得出 1 粉砂岩与四煤 E 分层组成复合质板， 将 不规则垮落， 属直接顶； 2 1 ． 5m厚 的细砂岩单独垮落， 形成基本 顶基底岩梁。 即第一岩梁； 3 4m 的砂页岩互层与 15m 的粉砂岩 同时垮落， 为基本顶第二岩梁 ； 4 3m的细砂岩形成第三岩梁。 34 基本顶岩梁垮落时I作面的推进 步距 根据传递岩梁理论学说 ， 对一般梁式结构 的工作面， 当岩梁厚度小于 7m时， 可用下式估 算步距 C 4 3 3 M 6 ． 5 式中c 工作面推进步距 ； M 岩梁厚度。 则 1 第一岩粱 C． 1 2 ． 9 9m， 取 1 3m 2 第二岩梁 C 2 3 0 ． 3 1 5m， 取 3 0m 3 第三岩梁 C j 1 9 ． 4 9m， 取 1 9m 显然基本顶第一岩梁较薄， 因而工作面的 初次来压步距较短； 同样， 由于第一岩 粱较薄， 第二岩梁、 第三岩梁较厚， 在正常推进 阶段， 第 一 岩梁形成拱梁式结构， 第二、 第三岩梁形成一 般梁式结构， 从而使基本顶 整体 t形成拱 上有 梁， 梁上有梁的多岩梁式结构。 4 1 4 0 3 E工作面上覆岩层涌水的可能性 据地质资料及现场观测， 初步得出此次透 水主要由两部分组成的结论； ① 断层的构造裂 隙水； ◎ 山西组砂岩水， 其中山西组砂岩水叉可 分为 层煤顶板砂岩水汇成的老空水和四层煤 顶板砂岩水。 4 ． 1 断层构造裂隙水 地质资料表明， 1 4 0 3 E工作面以下是落差 约 3 0m 的大断层带。 由此大断层 向工作面派生 出一系列的帚状构造， 形成多个落差在 2 ～5m 之间的中小断层， 并在工作面下巷出现了淋水， 水量为 0 ． 1 ～0 ． 2m3 ／ h ， 说明断层水以静储量 为主。 且储量较小， 是次要因素。 42山西组 砂岩水 前面的分析和计算证明， 回采后上覆岩层 形成冒落带 、 裂隙带和弯曲下沉带 见图 2 ， 但 工作面是雨出现涌水 ． 一方面取决于含水层本 - 7 维普资讯 第 2 期 煤 矿 安 全 2 0 0 0年2 月 图 2 工作面上覆岩层岩 体结构示意图 I一 冒藩带 Ⅱ一裂隙带 Ⅲ一弯曲下沉带 身的水量大小， 另一方面要看含水层是处于煤 层上部还是下部． 再者还与含水层与煤层的距 离及岩层的阻水性能有关。 结合前面的分析认定， 由于一采区东翼的 二层煤 1 2 0 1 E、 1 2 0 2 E、 1 2 0 3 E三个工作面 已全 部采完． 工作面间的区段煤柱在等应力下很可 能被压酥而部分丧失了阻水性能； 另外， 二层煤 顶板 砂岩水 还可通 过垮 落 的顶 板赢 接渗 到 1 2 0 3 E工作面采空区。总之， 1 2 0 3 E采空区很 可能存在老空水， 虽 静储量为主， 但具备存有 较大储水量的条件。另据地质资料． 四层煤顶 板也 可 能存 在 一 定 静 储 量 的 砂岩 水，由于 1 4 0 3 E工作面位于一采区东翼最下部． 存在顶 扳砂岩水的可能性更大， 因此不能排除该因素 对工作面涌水的影响。 4 ． 3 基泰顶岩层阻水 性能分析 基本顶岩层为厚层中细砂岩， 质密坚硬， 破 断后岩层的空隙度将大大增加， 阻水性很差。 由 VQ／ W UQ／ n W 得 V U 式中V地下水渗透速度； 0地下水渗透流量； w过水断面； u 地下水实际流速 ； 岩石空隙度， 1 。 公式验证了实际涌水情况， 地下水的实际 流速总是大干渗透速度 8 - 总之， 岩层中大量存在的构造、 层理、 节理、 裂隙已使涌水成为可能， 随着 1 4 0 3 E工作面的 不断推进， 上覆岩层形成的多岩梁结构． 使涌水 的可能性大大增加， 经计算得知． 1 4 0 3 E工作面 裂隙带高度 2 3 ． 1 8 m 恰好相当于二层煤与四 层煤 的法向距离 约 2 0 m 左右 ， 显然， 1 4 0 3 E 工作面涌水与二层煤三个工作面采空区的老空 水有直接关 系。在 1 4 0 3 E工作面上 覆岩层破 断后阻水性差的情况下． 二层煤采空 区存在的 较大储量的老空水和 四层煤顶板 的砂岩水， 必 然导致 1 4 0 3 E工作面出现较大的涌水。 5 1 4 0 3 E工作面涌水与上覆岩层运动的关系 由 于工作面围岩自身的复杂性， 上覆岩层 的破断具有显著的非线性特征． 因而捅水量与 推进步距不呈简单的线性关系． 而是与上覆岩 层的具体破断情况密切相关。 1 当工作面推进 1 2 m． 基本顶第一岩梁 破断并形成三角平衡拱结构时， 第二岩梁也 已 开始运动， 上疆岩层的空隙度明显增大． 导致涌 水量突然增加。 2 基本顶第二岩粱厚度较大 为 5 ． 5 m ， 它的破断和运动对工作面涌水量的大小起主导 作用． 当其开裂并形成结构时． 第三岩粱很可能 出现明显变形而形成假塑性粱， 因此， 当工作面 推进 3 7 m． 第二岩梁形成结构时， 涌水量达到 2 3 m ／ h ， 并稳定在 2 O m ／ h左右。 3 第三岩梁形成结构时， 基本顶岩粱的总 厚度已达到 1 0 m左右， 相当于上覆岩层冒落带 的高度 9 ． 2 8 m ， 同时， 裂隙带达 到其相 应的 高度 即二层煤底板 ， 此时， 涌水量趋于最大， 后浦水量将随静储量的减少而减少， 经观测． 工作面推进 6 4 m 时， 涌水量达到 2 6 m ／ h ， 持 续 2 d后， 涌水减步． 降到 1 0 m ／ h以下， 4 d 后， 工作面推进 8 0 m时， 涌水基本消失． 与分析 结果相符。 6 控制措施 1 在下巷每隔 l 5 ～2 0 m下帮打一水窝 维普资讯 第 2 期 炎 譬 ， ， 嚆 芷 煤 矿 安 全 杠祆 别 j 2 6 0 o年 2月 技术经验 陈四楼煤矿 一 ／ ／ 矿床充水特征及突水预 ／ 永城煤电集团公 司 张中军 王佳英 陈群忠 侯士宁 代 磊 7 ． 。 摘要通过对陈四楼煤矿矿床充水条件和突水机理的分析研 究。 对矿井可能 产生的突水地段和 突水强度进行 7预驯， 期待能对煤矿安全生产起到有益的作．t l 。 关键词矿床充水条件 突水机理 突水预测 陈四楼煤矿位于河南省永城市境内， 是永 夏矿区 4大国有统配煤矿之一 1 9 9 0年开始 建井， 1 9 9 7年 1 1月正式投 产。该矿位于永城 隐伏背斜西翼 中部， 面积 7 2 k m 2 ， 煤 炭储量 3 亿 t ， 主采 的二2煤层 赋存 于二叠 系山西 组中 部， 厚度稳定 ， 平均 2 ． 5 m， 次采 的三煤组 三． 、 三， 、 三4 赋存于二叠系下石盒子组 中部 ， 厚度 变化较大， 一般为 1 ～1 ． 5 m。 煤层埋深为 3 0 0 ～ 1 0 0 0 m。自矿井建设至今， 已发生大小 突水 6 次， 最大突水 量 8 6 0 m ／ h ， 给矿 山生产造 成了 巨大的经济损失。 1 矿床充水条件 1 充水水源及充水特征。从矿床充水空 间分析， 充水水源有下列 4种补给形式。其一， 第四系底部隔水粘土层中的透镜状次生碳酸盐 及砾石层“ 天窗” ， 采动 冒落后沿冒落裂隙自由 渗漏越流进入矿井。据已知资料， 陈四楼煤矿 已发现此类“ 天窗” 大小 2 3个， 厚度 2 ～2 1 m， 面积大小不一 ， 单孔控{ } j 1 3处， 2孔联片 8处。 3孔以上联片 2处。次生碳酸盐以块状为主。 致密坚硬， 溶蚀现象发育， 个别可见 5 22 c m的小溶洞。其突水特征是初期突水量大， 在 未与第四系下部砂岩含水层导通的情况下多以 静储量为主， 随时间的推移其突水量逐渐减少。 其二， 煤层顶底板砂岩空隙裂隙水， 其突水特征 是突水量小 一般小于 3 0 m ／ h ， 个别正断层下 降盘破裂带可达 1 0 0 m 3 ／ h 左右 ， 以消耗静储 量为主， 彀易疏干。其三， 二2 煤层底板太原组 灰岩水顶托越流充水， 其突水特征是突水量大， 突水时间长， 突水量减少缓慢， 是矿井产生水灾 的主要充水水源。其四， 煤层底板奥陶系灰岩 水， 水量大， 水压高， 富水性不均一， 一般不直接 溃入矿井 ， 只能通过断层通道作为太原组灰岩 ● ●} ●}● ●} ●} ●} ●} ●} ●} ●} ●} ●} ●} ●} ● ●} ●} ●} ●} ●} ●} ●l噜●} ●} ●} ●} ●} ●}●} ●} 备储水； 同时可将积水甩在采空区。 2 备好大流量水泵和大直径管道， 要求排 水量不低于 4 0 m ／ h ， 作到有备无患； 3 进行水质检测工作。 找清水源； 4 保证工作面支护质量， 避免 出现冒顶和 台阶下沉， 免控顶区顶板出现透水； 5 加快推进度 ， 改变推进方 向， 使工作面 成一定程度 的仰斜开采， 使上覆岩层位于较高 位态． 从而尽量减小裂隙带高度。 减少涌水量。 上述措施的实麓解决了工作面的涌水问 题， 保证 了正常生产。 作者简介朱衍利． 男． 1 9 6 8年出生， 工程师． 1 9 9 0 年毕业于 山末矿 亚学 院采矿 专 业。一直 ／ ．K事 采煤 技 术． 现任新注矿亚集 团， 、 司翟镇煤矿 剐总工程 师。 地 址 山东省新泰 市翟镇 ； 邮 编 2 7 1 2 0 4 。 收稿 E l 期1 9 9 91 1 1 8 ； 责任编辑弃 寿昆 - 9 - 1l r 一 维普资讯