综采放顶煤工作面顶板涌水防治方案

综采放顶煤工作面顶板涌水防治方案大佛寺煤矿位于陕西彬县境内，主采侏罗系下统延安组煤系地层4煤。井田范围内4煤平均厚度11.65m，采煤方法多为综放开采，矿井涌水方式以顶板充水为主，直接或间接参与矿井充水的含水层有：延安组煤系地层裂隙承压含水层、直罗组裂隙承压含水层、洛河宜君组裂隙承压含水层等。在回采40106工作面和40108工作面过程中，顶板以上裂隙承压水多次导入工作面，造成工作面涌水突然增大，涌水量一般在90～120m3/h，最大涌水量达170m3/h，对矿井生产、运输系统等造成较大影响。为做好顶板涌水防治工作，采取合理、有效的安全技术措施，有必要开展工作面顶板涌水机理分析及治理手段研究，现以40108工作面为例。一、工作面概况40108工作面位于大佛寺煤矿401采区东翼，北部为40106工作面采空区，南部、东部为未开采煤体，西部为采区大巷保护煤柱。工作面走向长1917m，可采长度1767m，倾向宽180m，煤层倾角3～5°，最大倾角9°，煤层厚度10.1～13.6m，平均11.5m，容重1.39t/m3，煤体弱含水，节理裂隙发育，煤层顶板多为泥岩、砂泥岩互层。40108工作面采用走向长臂后退式综采放顶煤法，全部垮落法管理顶板。采煤机为MG500/1330－WD型，割煤高度3.4m，割煤方式为双滚筒双向割煤，进刀方式为工作面两端斜切割三角煤进刀，割一刀0．8m，放煤支架为ZF10000/24/36型，采用多轮分段、顺序放顶煤的方式放煤，平均放煤高度6．5m，采放比1∶1．912，放煤步距1．6m，周期性来压步距25～33m（现场经验值）。二、工作面涌水特征分析1、涌水观测情况40108工作面回采前1100m过程中，涌水量比较稳定，基本保持在7～10m3/h，但在回采至1130m和1256m时，涌水量两度增大，最大涌水量达90m3/h。据观测，涌水点均位于工作面中后部，涌水过程中伴有不同程度的顶板淋水现象，涌水始末工作面都存在顶板压力增大，个别支架被压死现象，且涌水期间采面分别推采了27m和29m，随后工作面涌水恢复正常，实测涌水量数据见下表：2、涌水水源分析40108工作面回采前，曾利用直流电法技术探查了顶板向上100m范围内含水层的富水特征，并根据勘探成果，在工作面两顺槽对富水性较强的区域实施了探放水作业，放水孔垂深58～80m，终孔层位为直罗组。由于原生裂隙发育状况不同，各放水孔的出水量也不一致。其中，切眼向外1230m处施工的探放水孔T6水量最大，出水点垂深58m，位于直罗组底部，最大出水量10～12m3/h，水质检测成果见表3。另有“两带”观测孔T3，T4和3#补勘孔位于40108工作面涌水段附近，这些钻孔分别进行了K1l+K1y，K1l，J2y层段的抽水试验及水质检测。现将40108工作面涌水水质检测成果与各含水地层水质进行对比，详见下表：根据以上资料对比分析，采面涌水水质类型为Cl－HCO3－Na型，与延安组（J2y）、直罗组（J2z）地层含水的水质类型一致，结合采空区“两带”发育高度及工作面涌水表现形式等综合分析，判断工作面充水水源为延安组、直罗组裂隙承压含水层水。三、涌水过程中的矿压观测曲线及对比分析40108工作面安装了KJ216煤矿顶板动态监测系统，用于分区监测工作面内支架工作阻力变化情况，评价支架的支护效果，并提供顶板压力显现规律的分析数据。各数据采集点分别安装在工作面第8架、第40架、第71架、第90架、第117架，压力分机编号依次为16Z，20Z，24Z，27Z，30Z，通过对两次涌水期间各组监测数据的整理分析，得出工作面出水点两侧24Z，27Z压力分机的支架工作阻力曲线图如下。通过工作面涌水特征与涌水期间液压支架工作阻力曲线的对比分析可知，涌水出现在顶板压力增大区域，当涌水出现时，顶板压力有急剧减小现象；随着工作面继续向前推采，顶板压力减小，涌水量增大，然后顶板压力增大，涌水量减小，在顶板压力最大区域，工作面涌水恢复正常；涌水期间采面推采距离与顶板周期来压步距相近，长度约27～29m。可见，工作面顶板压力显现与涌水特征存在着相关性，而顶板压力显现是顶板覆岩受采动影响变形破坏的整个过程在工作面内的具体反映，顶板覆岩变形破坏的不同阶段，必将引起涌水量发生相应的变化。四、涌水机理分析1、水文地质条件分析延安组煤系地层和直罗组地层在本区内为弱含水层，单位涌水量0．00005～0．000679L/（s?m），渗透系数0．00012～0．00591m/d，含水性较弱。但据顶板水文物探成果及探放水情况，4煤顶板向上延安组、直罗组中都存在不连续的低电阻率区域，局部存在上下连通趋势，推断顶板含水层局部裂隙发育，富水性较好，可形成较稳定的工作面涌水水源。2、采动作用对工作面涌水的影响40108工作面采用综放开采，煤层采厚大，煤层采动后形成的巨大采空区破坏了地层之间原有的力学结构，引起上覆地层的移动、变形失稳，甚至破坏了岩层的整体性。但由于成岩时间及矿物组分的不同，上覆各岩层在厚度、强度等物理性质方面表现出较大差异，受采动的影响程度也不同，而覆岩关键层对采场上覆岩层的活动起着控制作用。通过分析4煤上覆各岩层的厚度、体积力、弹性模量等参数，利用关键层位置的判别条件：载荷qn+1＜qn，破断距ln＜ln+1。确定4煤上覆延安组、直罗组地层中，由下至上第5层、第11层为关键层，岩性分别为砂质泥岩、细粒砂岩。由于关键层受自身强度的影响，并不与下部岩层同步断裂，从而在下沉的岩与岩之间形成沿层面裂隙。在关键层初次破断前，随着工作面推进，沿层面裂隙不断增大，且最大裂隙位于采空区中部，关键层破坏断裂后，关键层在采空区，区中部趋于压实，而在采空区两侧保持有一个离层水，工作面两侧的离层区是随着工作面开采不断前移。若该离层带处于含水导水裂隙发育区域，就会在层状空间内储存一定量的地下水。随着工作面推采，煤层顶板岩层会在矿山压力的作用下断裂，直接顶首先垮落，随后上覆各岩层在关键层的控制下逐步变形，在工作面两侧后上方形成离层带，如图5所示，当关键层破断时，在其断裂产生的巨大压力的影响下，储存在离层空间B区内的地下水沿采动裂隙下渗进入正在回采的工作面。工作面继续向前推采，原先位于含水导水裂隙发育区域内的离层带进入重新压实C区，被逐渐压实，使得工作面涌水失去了补给条件，涌水逐渐减小，直至老顶周期性来压后，导水裂隙在矿压作用下进一步闭合，涌水恢复正常值。3、结论由上述分析可知，造成40108工作面涌水的因素有以下几点1）工作面顶板存在形成涌水水源的含水导水裂隙带，是顶板涌水的水文地质先决条件。2）煤层上覆岩层的不同物理特性，使得在回采过程中形成了能够贮水的层状空间，能够提供工作涌水的补给条件。3）工作面采动压力致使上覆岩层断裂破坏，形成连接层状空间与工作面采空区间的导水通道，并由周期性矿山压力诱导上覆层状空间贮水下泄进入采空区。4）随着采面向前推移，离层区域被重新压实，失去了涌水水源，工作面水量恢复至正常值。五、工作面防治水方案在本工作面开采前，曾委托西安煤科院利用物探方法对工作面顶板向上100m范围内的富水性情况进行了探测分析，确定了3个含水异常区，自西向东分别为A区、B区、C区，每个区域在各自纵向层位上下存在一定水力联系（如下图所示）。G6A18+5‰'联络巷′联络巷水联络巷联络巷′′工作面泄水巷联络巷工作面带式输送机巷回顺联络巷工作面高抽巷工作面回风巷工作面灌浆巷工作面运顺联络巷''联络巷'S4C16Y7Y10S8H1S11Y13G15G18K1K2K4G19K9Y18K12S18工作面运输顺槽工作面高抽巷联络巷AK21K19工作面高抽巷G65#联巷高爆巷高爆巷C4C5C6C3G115（）7（）横川高爆巷ⅨⅩ工作面回风顺槽Ⅺ高爆巷采区各采掘面测水点ⅫⅠⅡⅣⅢ６０６０６０６０６０６０６０ⅤⅥⅦⅧ工作面灌浆巷工作面高抽巷E2649.524W5W10E5639.759E3645.888E4644.537W1645.135652.604w2W3651.991W4651.978W6W7W8H2649.448W9E1651.226E6635.5E7627.3E8628.496W11W12E9E10E11W13W14W15W16E12E13E14E15W17E16E17W18W19H3653.175H4656.682H5659.725H6663.4491H7667.97M1647.673E18E19E20E21E222*DN1002*DN1002*DN1002010.02.20该段顶板淋水较大，工作面涌水增大，水量最大m3/h，一天后恢复正常，判断为高抽巷积水。涌水水色较清，无臭味，水量由3逐渐减小至3，历时天，经水质化验，判断为直罗组裂隙水。涌水从底板涌出，水色较清，无臭味，水量由3逐渐减小至3，历时天，判断为顶板水在采空区聚集，通过地下裂隙在工作面涌出。涌水水色较清，有泡沫，无臭味，水量由3逐渐减小至3，历时天，经水质化验，判断为直罗组裂隙水从采空区流出。工作面1*DN1001*DN1001*DN1001*DN1001*DN100涌水主要从采空区流出，工作面支架淋水较大，最大涌水量3，天后逐渐减小至3，判断为顶板水在采空区聚集，通过采空区浮煤缝隙从工作面流出。泄水巷Ⅸ采区大巷保护煤柱线工作面高抽巷工作面高抽巷工作面高抽巷涌水主要从采空区流出，水量一般在3，最大涌水量3，月日水量减至3，基本恢复正常。判断为顶板水在采空区聚集，通过采空区浮煤缝隙从工作面流出。涌水主要从采空区流出，水量一般在3，最大涌水量3，月日水量减至3，基本恢复正常。判断为灌浆水在采空区聚集，通过采空区浮煤缝隙从工作面流出。ⅩⅪ停采线巷道内积水面积㎡TT临时水仓9m3临时水仓9m3A区异常B区异常C区异常40108工作面探放水工程布置图图例水煤层底板等高线视电阻率低阻异常区见煤钻孔水文钻孔-110-80-70-60-50-40-30-20-10010比例尺：根据物探成果对40108工作面探放水工程设计，并按照设计施工了6个探放水钻孔，但是，探放水效果不佳，探放的水量很小或者未探放出水，这些含水异常区仍对工作面回采存在一定的威胁。1、工作面涌水量预测根据工作面水文地质条件并结合40106工作面回采期间的涌水量情况，预计40108工作面正常涌水量在40-50m³/h（包括灌浆等施工水），随着导水裂隙带向上延伸，工作面回采过程中可能伴有周期性的来水，预计涌水量一般在120-150m³/h，最大涌水量将会达到170m³/h。2、工作面排水现状1）运顺排水系统目前，40108运顺铺设有2趟DN100排水管路，且有环形水仓2个，分别位于运顺三叉口和550m处。三叉口环形水仓有效容积为300m³，配备有3台30kw水泵，其中2台分别与排水管路连接，1台水泵备用；550m处环形水仓有效容积约1000m³，共有3个进水口和1个排水口，在排水口处配备有3台30kw水泵，其中两台分别与排水管路连接，1台备用。2）回顺排水系统40108回顺巷道相对运顺高，因此，涌水量不会很大，在巷道中铺设有1趟DN100排水管路，并在550m巷道低洼处设有临时水仓1个，水仓容积为9m³，配备2台18.5kw水泵进行排水。另外，在300m处低洼段也设有临时水坑和水泵进行辅助排水。3）总排水系统运顺、回顺排水都是通过排水管路，将水排至胶带大巷总管路，然后排至采区水仓。4）排水路线由于采面涌水带有大量煤泥，为减少大量煤泥进入采区水仓，做好沉淀除煤工作，40108运顺、回顺施行接力排水。40108工作面排水流程见下图：3、防治水重点区域除做好以上两点不足之处外，根据106工作面涌水特征，还应加强以下三个重点区域的日常管理、监测，确保涌水防治效果。1）前后部溜子机头位置工作面内部出水后，水流将沿着前后部溜子向运顺侧流动，并在机头位置低洼处汇集，进而被溜子拉上转载机。因此，做好机头位置的疏水工作。建议采取措施：（1）清理机头位置浮煤，特别是前部溜子和支架之间的浮煤，尽量疏排溜子上的水流。（2）可选择在工作面运顺侧出口处的