1、专题部分祁东煤矿工作面压架突水机理与治理摘要：华东地区普遍存在较厚的第四系松散层，松散层底部赋存一层较厚的松散含水层，由于含水层直接覆盖在煤层上方，因而对其下工作面采煤造成影响，最主要影响即工作面压架突水，造成工作面支架压死、工作面条件恶化、工作面停产等。本文主要以祁东煤矿为例，阐述松散承压含水层工作面压架突水机理，根据以往研究者的研究和现场实践提出松散承压含水层下工作面压架突水的防治方法，对其他类似条件下采煤具有指导意义。关键词：现状；压架突水机理；防治1 绪论1.1问题提出我国华东、华北等矿区许多煤矿的煤层上方存在较厚的松散层，松散层底部存在着一层非胶结沙土、砂砾为骨架组成的高承压松散含水
2、层，它直接赋存在煤系基岩顶部。由于承压含水层的存在，临近该松散含水层的采煤工作面在开采过程中，受其影响曾发生了多起压架突水灾害，造成了重大的经济损失，同时严重威胁了煤矿的安全生产。以安徽祁东煤矿为例：祁东煤矿2002年投产后，首采工作面3222面发生压架突水事故并导致矿井被淹，造成3648.56万元的直接经济损失，耗资将近1亿元才将被淹矿井恢复生产。在该矿井复产后，在3222、7114等8个工作面又先后发生了17起压架突水灾害，尤其是在2009年11月14日和24日，不到10天的时间内接连在6130、7121工作面发生了压架突水事故，而这也是6130工作面在短短5个月内发生的第4起压架突水事故
3、，尽管压架突水事故未再次造成淹井的严重后果，但是造成了严重的经济损失和生产被动局面。高频率的压架突水事故说明松散承压含水层对其下采煤产生的影响有其特殊性，不同于一般的压架事故。本文针对松散承压含水层对其下采煤工作面压架突水进行机理研究，并根据现场实践应用，提出松散承压含水层下采煤工作面压架突水的防治方法，对同类条件的工作面具有指导意义。1.2国内外研究现状1.2.1松散承压含水层采煤的研究早在100年前，国内外国即陆续对水体下煤层进行开采。在水体下采煤，最重要的工作就是防止工作面突水事故。波兰进行含水层下开采时，根据开采经验，对于在水体下采煤做出如下规定：在含水层下的煤层露头处应留设安全煤柱，
4、其高度是开采煤层厚度的8倍，这种煤柱的最小垂直厚度定为20m。1西澳大利亚科利煤田在130-160m的松散含水层下采煤，通过抽水试验，确定下部含水层的水文地质参数以及井下开采动态参数来确定煤岩柱的合理高度。美国则对煤柱回收提出适合于特定水文地质条件的设计方案；英国在海下留设的煤岩柱高度必须大于60m；南斯拉夫维伦杰褐煤矿在地表水体下采用垮落或分段垮落的长壁方法采掘由厚达500m的第四系多含水层系统覆盖的褐煤层，并取得了成功。松散含水层下采煤是水体下采煤的重要组成部分，近年来华东、华北、西北等地的许多煤矿，由于开采上限不断提高，已经在不同矿区、不同富水程度的松散含水层下开展了近松散层的开采实践。
5、开采上限提高的程度和所遇到的水文地质工程地质条件的复杂性，都是国际采矿界所罕见的。含水层下采煤覆岩破坏规律研究是确定合理防水煤柱尺寸的关键，也是解放水体下压煤和保证矿井安全生产不可缺少的重要步骤。松散含水层及煤层顶板在采动条件下的变形、渗透和破坏过程以及开采上限的确定问题是预警预测系统研究的必要条件之一。部分学者就松散含水层特性对煤层开采的影响进行了研究。黄汉富就司马煤矿薄基岩区松散层特性对松散层形成条件及垂向导水性能的影响进行了研究，进而分析了松散层特性对顶板水、沙控制及支架所受载荷等产生的影响。郑玉华对祁南煤矿新生界松散层特性进行了研究，分析了四含水的赋存特点，提出了煤矿在浅部煤层开采时应
6、防治四含砾岩水的建议。彭龙超对松散层水与煤系地层砂岩水混合效应的水文地球化学特性进行了研究，以变化明显的特征离子作为水质监测的对象，从而判断突水水源，为灾害预警提供了方法。针对含水层下安全煤岩柱留设问题，许光泉就松散含水层下合理安全煤岩柱高度的确定及提高开采上限等问题的研究进行了回顾与探讨，总结了以往留设依据及存在的不足之处，提出了研究该问题的新方法和一些新思路。许延春提出了水体下采煤留设安全煤岩柱的“有效隔水厚度方法”，认为保护层不仅仅需达到一定的厚度要求，更重要的是具备“有效隔水厚度”。王睿结合巨厚松散层下防水煤柱合理的留设问题，采用理论计算与数值模拟的方法，对东欢坨矿第四系巨厚松散层安全
7、煤岩柱的留设进行了分析，提出了基于“保护层渗透系数”的煤柱留设方法，认为在松散含水层下留设煤柱时，要考虑实际含水层水压作用下，传统方法留设的保护层厚度Hb是否能有效阻隔松散层水压。在此基础上，利用岩石力学的相关理论，对合理保护层厚度Hb的取值进行了计算。国内学者对松散含水层下覆岩移动规律也开展了大量的研究工作。余忠林分析了淮南潘谢矿区巨厚松散强含水层下煤层不同采厚时覆岩移动变形、破坏的动态演化过程及应力分布特征，得出在不同采厚情况下覆岩塑性区范围和导水裂隙带的发育高度。高明中通过厚松散层条件下关键层与地表沉陷的耦合模型实验，分析了厚松散层条件下采动过程中的岩层破坏及地表下沉规律，发现了采动程度
8、与地表下沉模式之间非线性变化的特征。安徽理工大学的杨本水等人在进行松散层含水体下煤层安全开采试验研究时，认为风化岩体具有阻水和抑制导水裂隙带继续发展的双重作用，利用风化泥、砂岩的这种特性，可以提高回采上限，增加煤炭资源回采率，取得了显著的经济效益。于保华以祁东煤矿高水压松散含水层下采煤时发生的工作面压架突水灾害为工程背景，对高水压松散含水层下压架突水灾害的机制及灾害防治对策进行了研究。景继东就华丰井田巨厚砾岩和煤系地层双层结构条件下煤层开采上覆岩层的运动特征进行了研究，揭示了导水裂隙带发育特征及斑裂纹的形成、演化过程，建立了导水裂隙带高度的计算方法，在分析影响砾岩突水因素的基础上，着重探讨了导
9、水裂隙带和斑裂纹对砾岩水突出的影响机制，并结合现场实际，提出了巨厚砾岩水害防治措施。许家林等将岩层控制的关键层理论与松散承压含水层下覆岩破坏规律相结合，通过理论分析、实验室模拟实验、现场工程探测等综合手段，合理解释了松散承压含水层下异常压架突水灾害现象，并提出了一系列防治措施。1.2.2工作面压架突水的研究随着含水层下煤炭开采规模的不断扩大，在特殊覆岩条件下，导致含水层下异常突水灾害的发生，同时伴随着工作面异常的矿压现象甚至压架事故。在广大科技工作者的努力之下，进行了大量的含水层下工作面安全开采试验研究工作，目前已经形成了一系列压架突水灾害的防治技术。针对突水灾害的防治问题，国外目前主要采用主
10、动防护法，通常采用地面垂直钻孔，通过潜水泵来疏干含水层。为了能够达到预先的疏排效果，国外利用其在设备制造方面的优势，生产了超高扬程(达1000m)、强大功率(2000kW)、特大排水量(达5000m3/h)的潜水泵，并且随着研究的深入和工程实践的需求，其疏干工程逐渐开始采用自动化控制。但是在一些含水层富水特性较好、联通性较强的情况下，仅仅采用疏干的办法并不能从根本上解决含水层的水害威胁。因此，从充分利用隔水层厚度、减少排水工程量的角度出发，国外也逐渐开始加强对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙之间的关系、高水压作用下的突水机理以及隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等方面的研究。近松散层开采技
11、术，就是在有松散层覆盖的条件下浅部煤层的开采技术，特别是在煤系地层为松散层覆盖、且其底部的松散含水层直接（或间接）与煤系地层接触条件下的开采技术。对此，刘天泉院士等曾提出了邻近松散承压含水层开采安全煤岩柱设计方法和突水防治原则与措施。隋旺华、蔡光桃等通过实验研究了邻近松散含水层采煤时松散层突水溃砂与水力坡度和裂缝宽度的关系，采用改装的渗透仪，对松散层经过采煤上覆垮落带和裂缝带发生渗透变形破坏的类型和机制进行研究，得出了采煤垮落带和裂缝带上覆松散土层发生从上往下渗透变形破坏的临界水力坡度与土层粒度成分、物理力学性质和裂缝尺寸的关系。但是，并未对引起水砂突涌的覆岩结构破坏因素进行分析。董青红就近松
12、散层下开采水砂突涌机制及判别方法开展了深入研究。杨伟峰就薄基岩采动破断及其诱发水砂混合流运移特性进行了系统研究，揭示了不同通道类型水砂流运移特征，并将水砂混合流运移过程分为上升、稳定及突出三个相互关联的阶段，同时将水砂突出划分出了直泻式突出型、跳跃式突出型和缓坡式突出型等三种类型。欧阳连勤等针对祁东煤矿的地质条件，对压架突水发生的机理进行了探讨，并提出了相应的防治技术措施。林青等基于松散承压含水层下压架突水灾害的发生机理，结合现场开采条件，提出采用顶板预裂爆破的措施来防治工作面压架突水灾害的方法，并取得了良好的试验效果。郝宪杰等对针对松散承压含水层下的压架突水问题，提出采用高阻力支架进行灾害防
13、治的措施，并利用理论分析、数值模拟等手段，对工作面合理支架阻力进行了计算。陈秀友等针对祁东煤矿6130工作面的压架突水灾害问题，通过理论分析手段就松散含水层层条件下合理支架工作阻力进行了初步计算，并提出了针对性的压架突水灾害防治措施，包括采空区充填、推进速度调控等。但是对没有此类灾害的发生条件进行详细分析。综上所述，现有研究在松散承压含水层下采煤覆岩运动规律、灾害防治等方面开展了大量工作，尤其在松散承压含水层载荷传递作用及对覆岩关键层复合破断影响的研究中取得了一些突破性的进展，但仍然有许多问题需要深入研究，尤其在松散承压含水层载荷传递作用下工作面压架突水灾害的发生条件与影响因素、松散承压含水层
14、下采煤工作面压架突水灾害的防治对策等方面还有大量工作要做。2 松散承压含水层的压架突水机理2.1松散承压含水层载荷传递机理由于承压含水层的存在，地表载荷通过含水层将载荷均匀地传递到基岩上，这就导致含水层下附近关键层承担其上的全部载荷，由于含水层的流动性，地表载荷会源源不断传递到其下部基岩，根据研究，含水层传递上覆载荷，其中含水层的厚度和恢复性会影响其载荷传递效果。为了研究其载荷传递作用的存在，前研究者做了以下实验：通过相似模拟，研究有无松散承压含水层的情况下其下基岩所受载荷情况图2.1 松散承压含水层载荷传递机理示意图当煤层开挖距离不断增大时，其上部关键层即硬岩层1中的6#应力发生变化，将开挖
15、过程中应力测线3上6#的应力传感器的读数与开挖前的原岩应力的差值作为该测点的应力变化值，则6#应力变化值随开挖步距的变化情况如下图：图2.2 有无松散承压含水层载荷传递机理实验结果由图2.2可知，在有松散承压含水层的条件下，由于承压水的流动性和补给作用，上覆表土层的载荷通过松散承压含水层均匀地作用于下部基岩上，在煤层开挖的过程中，作用在基岩顶界面上的载荷基本保持恒定，说明松散承压含水层起到了均匀传递载荷的作用。当无松散承压含水层时，由图可知，随着煤层的开挖，基岩顶界面的载荷发生明显变化，首先待测应力点受到超前支撑压力，作用在基岩上的载荷明显增大，当工作面推过待测点时，作用在基岩顶界面上的载荷明
16、显发生降低，曲线完全与实际生产中覆岩的运动规律吻合。由以上实验结果可以得出，在松散承压含水层的载荷传递作用下，必然会导致基岩顶界面承受的载荷增大，因而可能会引起含水层下部基岩的破断形态发生变化。 2.2松散承压含水层对下部覆岩的影响2.2.1松散承压含水层对关键层复合破断的影响当覆岩中存在多层厚岩层时，在特定条件下覆岩中的岩层会发生复合破断效应，此时岩层承载能力远大于单层岩层，同时影响采动覆岩的变形移动等过程。所谓关键层的复合破断是指相邻两层或多层关键层同步破断的现象。发生关键层复合破断的条件是研究的重点。关键层复合破断的示意图如图2.3.图2.3 关键层复合破断示意图为了说明松散承压含水层传递载荷对关键层的影响，建立图2.4所示的UDEC数值模型，模型边界采用位移固定边界，模型采用莫尔库伦准则。作用在最上部的载荷的取值分别为0、0.2、0.4、0.
