綜采放頂煤工作面頂板涌水防治方案

1、綜采放頂煤工作面頂板涌水防治方案大佛寺煤礦位于陜西彬縣境內，主采侏羅系下統(tǒng)延安組煤系地層4煤。井田范圍內4煤平均厚度11.65 m，采煤方法多為綜放開采，礦井涌水方式以頂板充水為主，直接或間接參與礦井充水的含水層有：延安組煤系地層裂隙承壓含水層、直羅組裂隙承壓含水層、洛河宜君組裂隙承壓含水層等。在回采40106 工作面和 40108 工作面過程中，頂板以上裂隙承壓水多次導入工作面，造成工作面涌水突然增大，涌水量一般在90 120 m3/ h，最大涌水量達 170 m3/ h，對礦井生產(chǎn)、運輸系統(tǒng)等造成較大影響。為做好頂板涌水防治工作，采取合理、有效的安全技術措施，有必要開展工作面頂板涌水機理分

2、析及治理手段研究，現(xiàn)以 40108工作面為例。一、工作面概況40108工作面位于大佛寺煤礦401采區(qū)東翼，北部為 40106 工作面采空區(qū)，南部、東部為未開采煤體，西部為采區(qū)大巷保護煤柱。工作面走向長1917 m，可采長度1767 m，傾向寬180m，煤層傾角35°，最大傾角 9°，煤層厚度10.1 13.6m，平均 11.5 m，容重 1.39 t / m3，煤體弱含水，節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層頂板多為泥巖、砂泥巖互層。40108 工作面采用走向長臂后退式綜采放頂煤法，全部垮落法管理頂板。 采煤機為 MG500 /1330 WD型，割煤高度3.4m，割煤方式為雙滾筒雙向割煤，進

3、刀方式為工作面兩端斜切割三角煤進刀，割一刀0 8 m，放煤支架為 ZF10000 /24 /36 型，采用多輪分段、順序放頂煤的方式放煤，平均放煤高度 6 5 m，采放比 1 1 912 ，放煤步距 1 6 m，周期性來壓步距 25 33 m（現(xiàn)場經(jīng)驗值）。二、工作面涌水特征分析1、涌水觀測情況40108 工作面回采前 1100 m 過程中，涌水量比較穩(wěn)定，基本保持在710 m3/ h，但在回采至 1 130 m和 1 256 m 時，涌水量兩度增大，最大涌水量達90 m3/h。據(jù)觀測，涌水點均位于工作面中后部，涌水過程中伴有不同程度的頂板淋水現(xiàn)象，涌水始末工作面都存在頂板壓力增大，個別支架被

4、壓死現(xiàn)象，且涌水期間采面分別推采了 27 m 和 29 m，隨后工作面涌水恢復正常，實測涌水量數(shù)據(jù)見下表：2、涌水水源分析40108 工作面回采前，曾利用直流電法技術探查了頂板向上 100 m 范圍內含水層的富水特征，并根據(jù)勘探成果，在工作面兩順槽對富水性較強的區(qū)域實施了探放水作業(yè)，放水孔垂深 58 80 m，終孔層位為直羅組。由于原生裂隙發(fā)育狀況不同，各放水孔的出水量也不一致。其中，切眼向外 1 230 m 處施工的探放水孔 T6水量最大，出水點垂深 58 m，位于直羅組底部，最大出水量 10 12 m3/ h，水質檢測成果見表 3。另有“兩帶”觀測孔 T3，T4和 3#補勘孔位于 4010

5、8 工作面涌水段附近，這些鉆孔分別進行了 K1l+ K1y，K1l，J2y層段的抽水試驗及水質檢測?，F(xiàn)將 40108 工作面涌水水質檢測成果與各含水地層水質進行對比，詳見下表：根據(jù)以上資料對比分析，采面涌水水質類型為 Cl HCO3 Na 型，與延安組（ J2y） 、直羅組（ J2z） 地層含水的水質類型一致，結合采空區(qū)“兩帶”發(fā)育高度及工作面涌水表現(xiàn)形式等綜合分析，判斷工作面充水水源為延安組、直羅組裂隙承壓含水層水。三、涌水過程中的礦壓觀測曲線及對比分析40108 工作面安裝了 KJ216 煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于分區(qū)監(jiān)測工作面內支架工作阻力變化情況，評價支架的支護效果，并提供頂板壓力顯現(xiàn)

6、規(guī)律的分析數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)采集點分別安裝在工作面第 8 架、第 40 架、第 71 架、第 90 架、第 117 架，壓力分機編號依次為 16Z，20Z，24Z，27Z，30Z，通過對兩次涌水期間各組監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，得出工作面出水點兩側 24Z，27Z 壓力分機的支架工作阻力曲線圖如下。通過工作面涌水特征與涌水期間液壓支架工作阻力曲線的對比分析可知，涌水出現(xiàn)在頂板壓力增大區(qū)域，當涌水出現(xiàn)時，頂板壓力有急劇減小現(xiàn)象； 隨著工作面繼續(xù)向前推采，頂板壓力減小，涌水量增大，然后頂板壓力增大，涌水量減小，在頂板壓力最大區(qū)域，工作面涌水恢復正常； 涌水期間采面推采距離與頂板周期來壓步距相近，長度約 27

7、29 m?？梢?，工作面頂板壓力顯現(xiàn)與涌水特征存在著相關性，而頂板壓力顯現(xiàn)是頂板覆巖受采動影響變形破壞的整個過程在工作面內的具體反映，頂板覆巖變形破壞的不同階段，必將引起涌水量發(fā)生相應的變化。四、涌水機理分析1、水文地質條件分析延安組煤系地層和直羅組地層在本區(qū)內為弱含水層，單位涌水量 0 000 05 0 000 679 L / （ s?m） ，滲透系數(shù) 0 000 12 0 005 91 m / d，含水性較弱。但據(jù)頂板水文物探成果及探放水情況，4 煤頂板向上延安組、直羅組中都存在不連續(xù)的低電阻率區(qū)域，局部存在上下連通趨勢，推斷頂板含水層局部裂隙發(fā)育，富水性較好，可形成較穩(wěn)定的工作面涌水水源。

8、2、采動作用對工作面涌水的影響40108 工作面采用綜放開采，煤層采厚大，煤層采動后形成的巨大采空區(qū)破壞了地層之間原有的力學結構，引起上覆地層的移動、變形失穩(wěn)，甚至破壞了巖層的整體性。 但由于成巖時間及礦物組分的不同，上覆各巖層在厚度、強度等物理性質方面表現(xiàn)出較大差異，受采動的影響程度也不同，而覆巖關鍵層對采場上覆巖層的活動起著控制作用。通過分析 4 煤上覆各巖層的厚度、體積力、彈性模量等參數(shù) ，利用關鍵層位置的判別條件： 載荷 qn+ 1 qn，破斷距 ln ln+ 1 。確定 4 煤上覆延安組、直羅組地層中，由下至上第 5 層、第 11 層為關鍵層，巖性分別為砂質泥巖、細粒砂巖。由于關鍵層

9、受自身強度的影響，并不與下部巖層同步斷裂，從而在下沉的巖與巖之間形成沿層面裂隙。在關鍵層初次破斷前，隨著工作面推進，沿層面裂隙不斷增大，且最大裂隙位于采空區(qū)中部，關鍵層破壞斷裂后，關鍵層在采空區(qū)，區(qū)中部趨于壓實，而在采空區(qū)兩側保持有一個離層水，工作面兩側的離層區(qū)是隨著工作面開采不斷前移。若該離層帶處于含水導水裂隙發(fā)育區(qū)域，就會在層狀空間內儲存一定量的地下水。隨著工作面推采，煤層頂板巖層會在礦山壓力的作用下斷裂，直接頂首先垮落，隨后上覆各巖層在關鍵層的控制下逐步變形，在工作面兩側后上方形成離層帶，如圖 5 所示，當關鍵層破斷時，在其斷裂產(chǎn)生的巨大壓力的影響下，儲存在離層空間 B 區(qū)內的地下水沿采

10、動裂隙下滲進入正在回采的工作面。工作面繼續(xù)向前推采，原先位于含水導水裂隙發(fā)育區(qū)域內的離層帶進入重新壓實 C 區(qū)，被逐漸壓實，使得工作面涌水失去了補給條件，涌水逐漸減小，直至老頂周期性來壓后，導水裂隙在礦壓作用下進一步閉合，涌水恢復正常值。3、結論由上述分析可知，造成 40108 工作面涌水的因素有以下幾點1）工作面頂板存在形成涌水水源的含水導水裂隙帶，是頂板涌水的水文地質先決條件。2）煤層上覆巖層的不同物理特性，使得在回采過程中形成了能夠貯水的層狀空間，能夠提供工作涌水的補給條件。3）工作面采動壓力致使上覆巖層斷裂破壞，形成連接層狀空間與工作面采空區(qū)間的導水通道，并由周期性礦山壓力誘導上覆層狀

11、空間貯水下泄進入采空區(qū)。4）隨著采面向前推移，離層區(qū)域被重新壓實，失去了涌水水源，工作面水量恢復至正常值。五、工作面防治水方案在本工作面開采前，曾委托西安煤科院利用物探方法對工作面頂板向上100m范圍內的富水性情況進行了探測分析，確定了3個含水異常區(qū)，自西向東分別為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，每個區(qū)域在各自縱向層位上下存在一定水力聯(lián)系（如下圖所示）。 根據(jù)物探成果對40108工作面探放水工程設計，并按照設計施工了6個探放水鉆孔，但是，探放水效果不佳，探放的水量很小或者未探放出水，這些含水異常區(qū)仍對工作面回采存在一定的威脅。1、工作面涌水量預測根據(jù)工作面水文地質條件并結合40106工作面回采期間的涌水量情

12、況，預計40108工作面正常涌水量在40-50m³/h（包括灌漿等施工水），隨著導水裂隙帶向上延伸，工作面回采過程中可能伴有周期性的來水，預計涌水量一般在120-150m³/h，最大涌水量將會達到170m³/h。2、工作面排水現(xiàn)狀1）運順排水系統(tǒng)目前，40108運順鋪設有2趟DN100排水管路，且有環(huán)形水倉2個，分別位于運順三叉口和550m處。三叉口環(huán)形水倉有效容積為300m³，配備有3臺30kw水泵，其中2臺分別與排水管路連接，1臺水泵備用；550m處環(huán)形水倉有效容積約1000m³，共有3個進水口和1個排水口，在排水口處配備有3臺30kw水泵

13、，其中兩臺分別與排水管路連接，1臺備用。2）回順排水系統(tǒng)40108回順巷道相對運順高，因此，涌水量不會很大，在巷道中鋪設有1趟DN100排水管路，并在550m巷道低洼處設有臨時水倉1個，水倉容積為9m³，配備2臺18.5kw水泵進行排水。另外，在300m處低洼段也設有臨時水坑和水泵進行輔助排水。3）總排水系統(tǒng)運順、回順排水都是通過排水管路，將水排至膠帶大巷總管路，然后排至采區(qū)水倉。4）排水路線由于采面涌水帶有大量煤泥，為減少大量煤泥進入采區(qū)水倉，做好沉淀除煤工作，40108運順、回順施行接力排水。40108工作面排水流程見下圖：運順迎頭水泵回順迎頭水泵2趟DN100管路1趟DN100

14、管路環(huán)形水倉臨時水倉2趟DN100管路1趟DN100管路灌漿巷水泵1趟DN100管路膠帶大巷主排水管路采區(qū)水倉圖 40108工作面排水流程圖3、防治水重點區(qū)域除做好以上兩點不足之處外，根據(jù)106工作面涌水特征，還應加強以下三個重點區(qū)域的日常管理、監(jiān)測，確保涌水防治效果。1）前后部溜子機頭位置工作面內部出水后，水流將沿著前后部溜子向運順側流動，并在機頭位置低洼處匯集，進而被溜子拉上轉載機。因此，做好機頭位置的疏水工作。建議采取措施：（1）清理機頭位置浮煤，特別是前部溜子和支架之間的浮煤，盡量疏排溜子上的水流。（2）可選擇在工作面運順側出口處的前部溜槽下埋設鋼管，及時疏導出匯集在前部低洼處的積水。

15、2）轉載機尾部及非人行側由于運順較低，采空區(qū)積水的出水點常常位于轉載機尾部，因此，要在轉載機尾部區(qū)域采取攔水措施，將水疏導至轉載機非人行側，防止水流竄上轉載機。另外，綜采一隊必須做好轉載機非人行側的浮煤清理和水溝維護，并能夠在轉載機底部挖設橫水溝，疏排轉載機上的積水。3）運順550m地勢低洼段108工作面整體標高較106工作面高，僅550m低洼處略低于106工作面，且該段也是整個工作面的最低點，因此，必須高度重視該段的防排水工作。建議采取措施：（1）據(jù)分析，106采空區(qū)積水區(qū)主要在106運順側，且尚未延伸至該段，但是，由于該處地勢相對較低，且采至該處還需要一段時間，因此，平時要加強對該處涌水情

16、況的觀測，發(fā)現(xiàn)隱患，及時向相關領導匯報，采取措施進行治理。（2）管理好該處的2#環(huán)形水倉及其排水設備，重點是水倉的清淤和水泵、管路的維護檢修，保證該處3臺30kw水泵可以隨時運轉排水。（3）重點預測106采空區(qū)積水情況，必要時可選擇向采空區(qū)打鉆，探放相應位置積水。3）工作面回采期間的其他措施為防止水害事故發(fā)生，各相關單位應做好以下幾點：（1）地質測量部加強回采工作面涌水量觀測，至少每3天觀測一次，做好預測預報工作。（2）綜采隊日常加強水溝、水倉的維護、清理工作，避免工作面疏水不暢，造成積水，及時清理水倉積淤，將水匯集在水倉中集中排出；負責對排水設備、設施進行現(xiàn)場管理，根據(jù)回采情況，及時回撤、換

17、接水泵，做到動態(tài)管理，隨時可以進行排水作業(yè)。（3）生產(chǎn)部、動力部、安全部、地質測量部每旬對采面的排水系統(tǒng)、防治水設施進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)隱患，及時整治。4）水情水害應急方案（1）當采面涌水突然增大時，綜采隊必須立即報告礦調度室，由調度室通知防治水領導小組，并派地質測量部、動力部、安全部相關技術人員現(xiàn)場指導排水。（2）涌水增大時，地質測量部要加強涌水量觀測，至少每天1次，監(jiān)測涌水變化情況，并將觀測情況向調度室匯報。（3）發(fā)生大量涌水后，由礦總工程師組織技術人員，對涌水水源進行分析，必要時進行水質化驗，判斷涌水來源，采取必要的防治措施，防止事故擴大化。（4）在回采過程中，安排專人觀察40106與401