松軟砂巖含水層綜放開采技術(shù)研究

松軟砂巖含水層綜放開采技術(shù)研究

1a煤層開采安全試驗(yàn)可行性分析北煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.5mt/a，生產(chǎn)能力為2.05mt/a。傾斜試驗(yàn)的方法是傾斜試驗(yàn)。主要可采煤層有2層,即Ⅱ2a煤層和Ⅱ3b2煤層,均為厚煤層,其中Ⅱ2a煤厚7～8m;Ⅱ3b2煤厚3.5～15.8m。二者的可采儲(chǔ)量占礦井可采儲(chǔ)量的59%。Ⅱ2a煤層位于Ⅱ3b2煤層之上,層間距40～110m。煤層頂?shù)装鍘r性為細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖,單向抗壓強(qiáng)度為2.85～6.28MPa,屬軟弱巖層。先開采的Ⅱ2a煤層頂板有6個(gè)砂巖含水層,均為孔隙裂隙承壓含水層。對(duì)安全開采構(gòu)成威脅的只有1含和2含2個(gè)含水層,有可能使工作面出現(xiàn)潰水、潰砂,是綜放工作面安全開采的主要防范對(duì)象,必須采取切實(shí)可行的防治水措施。對(duì)松軟砂巖含水層下使用綜放開采技術(shù)的可行性重新進(jìn)行論證,結(jié)論為:“按照試驗(yàn)方案,在采取必要的防治水措施基礎(chǔ)上,在新一采區(qū)右三片進(jìn)行綜放開采安全試驗(yàn)是可行的”。選擇新一采區(qū)右三片作為綜放開采技術(shù)試驗(yàn)的理由:新一采區(qū)右一片與右二片已開采完,對(duì)Ⅱ2a煤層頂板開采波及到的含水層進(jìn)行了大面積疏降水,含水層得到了一定程度的疏干,況且初步掌握了含水層涌水量的大小,新一采區(qū)右三片最適宜綜放開采技術(shù)試驗(yàn)。2根據(jù)松砂層下綜合開采試驗(yàn)方案2.1煤炭工業(yè)開采煤調(diào)濕風(fēng)選新一采區(qū)右三片右以公路及鐵路保護(hù)煤柱為界,左至新一采區(qū)上山保護(hù)煤柱;上與新一采區(qū)右二片綜采工作面采空區(qū)為鄰,下為新二采區(qū)右一片未開采區(qū)。工作面走向長(zhǎng)1735m,傾斜寬165m,可采儲(chǔ)量2.12Mt,埋深270m,傾角5～6°。煤層自然發(fā)火期3～6個(gè)月。煤塵具有爆炸危險(xiǎn),低瓦斯,煤的硬度f(wàn)=2.05。采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式,全部垮落法處理頂板。采煤機(jī)割煤高度為3m,擬放煤高度0～5m,采放比為1∶0～1.67。工作面上、下巷均布置在煤層底部,留0.5m左右底煤。為了順暢疏排試驗(yàn)面開采期間采空區(qū)涌水及頂板淋水,超前掘出下個(gè)相鄰工作面上巷,并通過(guò)聯(lián)絡(luò)川與試驗(yàn)工作面下巷連通,用作疏水通道。在超前掘出的相鄰工作面上巷中施工若干個(gè)水倉(cāng),匯水后集中排向主排水泵房。同時(shí),在其中安設(shè)膠帶機(jī)和撈煤機(jī),及時(shí)將工作面產(chǎn)生的大量煤灰運(yùn)走。2.2采動(dòng)裂縫控制措施根據(jù)新一采區(qū)右三片煤層頂板砂巖含水層的賦存狀態(tài)與富水程度及不同采厚情況下垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)的結(jié)果,結(jié)合Ⅱ2a煤層開采受頂板含水層威脅的特點(diǎn),確定新一采區(qū)右三片綜放試驗(yàn)方案為:頂水開采與疏干或疏降開采相結(jié)合、先疏后采與邊采邊疏相結(jié)合、鉆孔疏干或疏降與開采疏干或疏降相結(jié)合,分塊段控制放頂煤開采厚度,簡(jiǎn)稱為綜放控水采煤試驗(yàn)方案。(1)處理含水層的基本原則對(duì)1含采用先疏后采措施,要求在采前予以疏干或基本疏干,以避免潰砂;對(duì)2含采用先疏后采與邊疏邊采的措施,要求在采前預(yù)先疏降以降低開采期間的涌水壓力,通過(guò)邊采邊疏予以疏干或基本疏干;對(duì)3,4,5含采用邊采邊疏與部分頂水開采的措施,利用泥巖類隔水層中的采動(dòng)裂縫隨著下沉壓實(shí)密合,導(dǎo)水、透水能力減弱甚至完全恢復(fù)原有隔水能力的特點(diǎn),爭(zhēng)取做到僅在開采期間排放含水層的大量涌水,而在開采結(jié)束后盡可能減少排水負(fù)擔(dān);對(duì)6含則采用頂水開采措施。為了確保生產(chǎn)安全,必須循序漸進(jìn)、邊推進(jìn)邊調(diào)整放煤參數(shù),分塊段、有條件地增加放煤厚度,通過(guò)控制采動(dòng)裂縫的發(fā)育程度和范圍,由下而上逐步波及煤層頂板砂巖含水層,邊開采邊疏干或疏降有關(guān)含水層。(2)控制放頂煤厚度的具體方案將新一采區(qū)右三片沿走向分為4個(gè)塊段,其中第Ⅰ塊段為自工作面開切眼起推進(jìn)至距開切眼40m范圍內(nèi),只采不放,預(yù)計(jì)最大涌水量約60m3/h;第Ⅱ塊段為自距開切眼40m起推進(jìn)至距開切眼150m范圍內(nèi),采3m放2m,累計(jì)采厚不超過(guò)5m,預(yù)計(jì)最大涌水量約300m3/h;第Ⅲ塊段為自距開切眼150m起推進(jìn)至距開切眼300m范圍內(nèi),采3m放4m,累計(jì)采厚不超過(guò)7m;第Ⅳ塊段為自距開切眼300m起推進(jìn)至停采線范圍內(nèi),采3m放5m,累計(jì)采厚不超過(guò)8m,預(yù)計(jì)最大涌水量約1000～1300m3/h。在試驗(yàn)開采過(guò)程中,工作面局部地段放煤超過(guò)5m,新一采區(qū)右三片放煤量見表1。3試驗(yàn)和解決的問(wèn)題3.1試驗(yàn)設(shè)施綜放試驗(yàn)面裝機(jī)總功率2380kW,所用設(shè)備新購(gòu)、改造和大修均有,見表2。3.2制約煤灰生產(chǎn)的制約因素工作面推進(jìn)到40m左右時(shí)遇到的困難:(1)后部輸送機(jī)中部槽聯(lián)接環(huán)質(zhì)量不好,破斷數(shù)量占總數(shù)的60%,導(dǎo)致中部槽大部分“錯(cuò)牙”,不能滿足放煤和拉架的要求,同時(shí)由于后部輸送機(jī)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng),其特性曲線不能完全滿足刮板機(jī)的要求,給其運(yùn)行帶來(lái)困難。(2)對(duì)綜放工作面初次來(lái)壓垮落后的涌水量大小估計(jì)不足,措施采取不及時(shí),導(dǎo)致前、后部刮板輸送機(jī)后電機(jī)頻繁進(jìn)水,引發(fā)故障。(3)隨著工作面推進(jìn),涌水驟增至100m3/h以上,導(dǎo)致工作面煤灰大量涌入下巷,淤積了開關(guān)列車和電纜束,其移動(dòng)成為制約生產(chǎn)的最大障礙。(4)受上巷高度、寬度制約,端頭支架不能按設(shè)計(jì)要求工作,造成2個(gè)副架無(wú)支撐點(diǎn),推移端頭支架困難,導(dǎo)致端頭處掉頂,無(wú)法正常推進(jìn)。(5)斜切進(jìn)刀時(shí),輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾嚴(yán)重“上漂”,人工臥底時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)上述制約生產(chǎn)的諸多問(wèn)題,在當(dāng)時(shí)特定的生產(chǎn)、水文地質(zhì)環(huán)境下所采取的解決方法:(1)對(duì)后部輸送機(jī)進(jìn)行了1次全面改造。改制加長(zhǎng)了緊固鏟煤板特殊螺栓的縮緊墊,使縮緊墊的加長(zhǎng)部分起到了給中部槽聯(lián)接環(huán)限位的作用,減少了更換聯(lián)接環(huán)所占用的時(shí)間,并同步更換了前、后頭的過(guò)渡槽,遏制了“錯(cuò)牙”現(xiàn)象,使后部輸送機(jī)正常運(yùn)行。(2)采取了延長(zhǎng)電纜束、供回液、供水管路的辦法,讓開關(guān)列車后移70m,并成功使用了單軌吊技術(shù),使移動(dòng)電纜束和開關(guān)列車變得快捷、簡(jiǎn)單、安全、可靠。由于有了足夠的過(guò)水空間和煤灰走向通道,較好地解決了水和煤灰對(duì)前、后刮板輸送機(jī)后部電機(jī)的損害。(3)采取了超前下臥0.5m端頭支架和轉(zhuǎn)載機(jī)過(guò)橋、上巷擴(kuò)翻成適合端頭支架尺寸的梯形棚支護(hù)的方法,使端頭支架和轉(zhuǎn)載機(jī)實(shí)現(xiàn)正常推移,基本能滿足生產(chǎn)需求,不再過(guò)多占用生產(chǎn)時(shí)間。(4)采取了更換輸送機(jī)機(jī)頭推移座的方式,解決了機(jī)頭、機(jī)尾斜切進(jìn)刀時(shí)“上漂”的技術(shù)問(wèn)題,省去了很多臥底時(shí)間。由此,工作面設(shè)備基本趨于正常運(yùn)轉(zhuǎn),為綜放工作面的高速推進(jìn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。3.3收集、整理、分析設(shè)備運(yùn)行情況鐵北煤礦特有的水文地質(zhì)環(huán)境(涌淋水量較大),使得綜放工作面設(shè)備自始至終是在水中運(yùn)行,水對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期的侵害不容忽視。一方面要求設(shè)備檢修人員和使用人員要不斷收集、整理、分析設(shè)備在檢修、使用過(guò)程中的各種原始資料,從中歸納總結(jié)出設(shè)備關(guān)鍵部位的運(yùn)行情況,故障種類、原因、周期和工作壽命等;另一方面,充分利用已經(jīng)掌握的事故周期,制定合理的檢修計(jì)劃時(shí)間表,在下一個(gè)事故周期來(lái)臨之前進(jìn)行預(yù)防性檢修或更換,使各設(shè)備能夠在相對(duì)可靠、合理的范圍內(nèi)運(yùn)行,最大限度地發(fā)揮設(shè)備的效能。4構(gòu)成威脅煤層頂板有6層含水層,對(duì)綜放開采構(gòu)成威脅。在試驗(yàn)開采期間,一直在從事最佳放煤方法研究,在保證安全生產(chǎn)的前提下,最大限度地提高采出率。4.1分段控制放煤量試驗(yàn)面煤層節(jié)理較發(fā)育,頂煤破碎能夠放出,但只有合理確定放煤工藝,才能保證安全和較高的采出率。放煤工藝包括放煤程序、放煤步距、放煤時(shí)間及放煤量的控制等。合理的放煤工藝應(yīng)保證在放煤過(guò)程中頂煤運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和規(guī)律性,直接頂板有規(guī)律的暴露,液壓支架及時(shí)有規(guī)律的承壓,并按要求的工作狀況控制頂板的運(yùn)動(dòng)和頂煤的活動(dòng)。試驗(yàn)初期,試驗(yàn)兩刀一間隔放,兩刀一順序放。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的實(shí)踐,由于受后部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸能力的限制,放煤太少。接著又試驗(yàn)了一刀一間隔放,一刀一順序放。通過(guò)比較,一刀一順序放優(yōu)于一刀一間隔放,并且在一刀一順序放時(shí),采用依次連續(xù)順序均勻放煤,連續(xù)順序均勻補(bǔ)放。二刀一放時(shí),工作面平均采出率56.2%,一刀一放時(shí),工作面平均采出率72.7%。為了適應(yīng)后部刮板輸送機(jī)的輸送能力,采取了分段控制放煤量的方法:5號(hào)～30號(hào)支架放高3.5m,30號(hào)～70號(hào)支架放高2.5m,70號(hào)～109號(hào)支架放高2.0m,平均放高2.5m。工作面每米生產(chǎn)煤量控制在1250～1350t。4.2索出的最好的放煤方法所謂最佳放煤方法只是相對(duì)而言,是有條件的,是在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上摸索出的最好的放煤方法。在保證合理開采層位(底煤留0.2～0.4m,采高3.0～3.2m)和推進(jìn)度(3.5～5.0m/d)的情況下,采用一刀一連續(xù)順序均勻放煤,連續(xù)順序均勻補(bǔ)放煤是最佳的放煤方法。5防止和處理工作場(chǎng)所內(nèi)的水井和屋頂水5.1下巷煤灰治理綜放工作面防治水與普通綜采工作面防治水有相同之處,也有不同之處。相同之處:工作面下巷打探放水鉆孔疏降水;下巷與下個(gè)相鄰工作面上巷之間根據(jù)需要施工泄水川,且川與川之間加打泄水鉆孔;在上巷每隔50m施工深1.5m以上的截水坑。不同之處:綜放工作面下巷產(chǎn)生的大量煤灰如何治理;后部刮板輸送機(jī)如何少上水;如何控制放煤量,防止工作面出現(xiàn)突水、潰砂事故。在下巷煤灰治理工作中,逐步探索出了使用單軌吊外移移變列車的方法,并做到下巷與相鄰工作面上巷同時(shí)清理煤灰,解決了下巷煤灰治理難題。采取順好工作面下部坡度不出現(xiàn)洼坑減少后部刮板輸送機(jī)上水;下巷下幫錨網(wǎng)梁不進(jìn)行回收,讓采空區(qū)涌水盡可能順到下幫處流出;順序均勻放煤和補(bǔ)放煤,使上覆巖層均勻冒落,減少局部冒落斷裂帶增大;每天推進(jìn)度至少3.5m,讓采空區(qū)的涌水在下部流出;設(shè)專人看護(hù)好后部輸送機(jī)機(jī)尾,及時(shí)清煤灰、降水位,保證電機(jī)不被水淹;周期來(lái)壓期間不放煤,加快推進(jìn)速度,減少頂板水的影響。5.2工作面排水及施工(1)建立健全暢通的疏排水系統(tǒng),泵房中的所有水泵在試驗(yàn)期間必須保證可隨時(shí)開機(jī)排水。加強(qiáng)排水設(shè)備的維修與管理,定期清理水溝、水倉(cāng)等,保證疏排水系統(tǒng)正常。(2)必須保證工作面的疏排系統(tǒng)暢通無(wú)阻,工作面與巷道中臨時(shí)水倉(cāng)之間要布置必要的擋砂設(shè)施,所需的排水管和泵要安裝到位,排水能力滿足涌水量要求。設(shè)專門的人員,對(duì)煤灰及其他障礙應(yīng)及時(shí)清理,保證排水暢通。(3)當(dāng)工作面有突水、潰砂征兆時(shí),現(xiàn)場(chǎng)專職觀測(cè)人員要密切監(jiān)測(cè)水情,以便采取相應(yīng)措施。(4)編制切實(shí)可行的防水避災(zāi)路線,繪制避災(zāi)路線圖,并寫入作業(yè)規(guī)程。定期向現(xiàn)場(chǎng)施工人員貫徹防水及避災(zāi)知識(shí)。(5)當(dāng)工作面出現(xiàn)突水、潰砂可能危及人身安全時(shí),全部作業(yè)人員應(yīng)立即撤至安全地點(diǎn)。(6)為了確保安全,要按照試驗(yàn)要求進(jìn)行管理,并開展有關(guān)試驗(yàn)研究工作。各塊段的開采必須循序漸進(jìn),前一個(gè)塊段的開采為后一個(gè)塊段提供可行性依據(jù),后一個(gè)塊段的開采必須在前一個(gè)塊段取得成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行。第Ⅰ、Ⅱ塊段開采時(shí)要注意對(duì)1含、2含的疏放,以便為后續(xù)塊段增大放頂煤高度創(chuàng)造條件。第Ⅲ、Ⅳ塊段的開采必須在1含已疏干或基本疏干、2含已經(jīng)疏降的基礎(chǔ)上進(jìn)行。(7)在工作面下巷超前400～450m探放水,鉆孔間距30～50m疏放1含。在鉆孔施工過(guò)程中要仔細(xì)判斷煤層頂板砂巖含水層的底界面和煤層頂板位置,正確掌握含水層底界與煤層的實(shí)際間距。(8)在地面施工3個(gè)水文孔,進(jìn)一步查明煤層頂板各含水層的賦存條件,觀測(cè)煤系頂板砂巖含水層的水位動(dòng)態(tài)。(9)進(jìn)一步檢查核實(shí)原有勘探鉆孔的封孔質(zhì)量,對(duì)有問(wèn)題并可能造成工作面涌水量突然增大的鉆孔重新處理。6利用上游巖石破壞估算和對(duì)含水層的影響分析6.1采厚區(qū)右三片綜放工作面導(dǎo)水裂縫帶高度確定通過(guò)對(duì)頂板上覆巖層結(jié)構(gòu)分析,新一采區(qū)右三片的覆巖為軟弱或極軟弱類型。目前尚未有計(jì)算綜放面開采造成的上覆巖層垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式。根據(jù)鐵北煤礦的具體條件,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)類比法綜合分析,按照不同采厚開采時(shí),選取新一采區(qū)右三片綜放工作面的垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)計(jì)值如表3所示?？迓鋷Ц叨扰c采厚的比值2.0～2.3;導(dǎo)水裂縫帶高度與采厚的比值7.9～8.3。在工作面地表建立了主傾斜半盆地巖移觀測(cè)站,對(duì)地表下沉量進(jìn)行了觀測(cè),最大沉降值為5.11m。6.2工作面涌水量的預(yù)防Ⅱ2a煤層頂板以上約100m范圍內(nèi)主要有6層砂巖含水層,由下至上分別簡(jiǎn)稱為1,2,3,4,5,6含。當(dāng)開采厚度為3m左右時(shí),預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶將直接波及1含,局部將接近2含,一般情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2含及其以上含水層的“頂水”開采,而對(duì)1含則為疏干開采,如不能實(shí)現(xiàn)采前對(duì)1含的預(yù)先疏干,則工作面以及采空區(qū)將會(huì)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象,但涌水量有限,只要做好預(yù)防工作,就可以保證安全開采;當(dāng)開采厚度達(dá)到4m左右時(shí),預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶將直接波及1含,并將在局部波及2含,此時(shí),只能實(shí)現(xiàn)對(duì)3含及其以上含水層的頂水開采,而對(duì)1含和2含則為疏干或疏降開采,如不能實(shí)現(xiàn)采前對(duì)這3個(gè)含水層的預(yù)先疏干,則工作面以及采空區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)明顯的涌水現(xiàn)象,必須做好涌水排放及預(yù)防工作;當(dāng)開采厚度達(dá)到6m左右時(shí),預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶將直接波及1含和2含,局部將直接波及3含,此時(shí),可以實(shí)現(xiàn)4含及其以上含水層的頂水開采,如不能實(shí)現(xiàn)對(duì)這4個(gè)含水層的預(yù)先疏干或疏降,則工作面以及采空區(qū)將會(huì)出現(xiàn)明顯的涌水現(xiàn)象,必須做好涌水排放及預(yù)防工作。綜放工作面試驗(yàn)過(guò)程中涌水量情況如表4。周期來(lái)壓時(shí)涌水量增加,涌水量中含上個(gè)相