冲击地压与矿井突水复合灾害一体化防控技术研究_李红平.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0340前言我国煤矿分布地域广，水文地质条件复杂，是世界上矿井灾害发生次数最多的国家，矿井水灾和冲击地压是煤矿中常遇的2种典型灾害。通常，以上2种灾害表现为单一的成灾模式，但随着我国煤炭资源开采条件由简单向复杂转变，一些顶板含有富水层或常年有地表水补给的矿井，存在多灾同时孕育并相互促进的风险，比如冲击地压导致围岩裂隙场贯通富水层或地表水促使矿井水害的发生的现象。本文以宽沟煤矿I010203工作面为工程研究背景，由于宽沟煤矿属于冲击地压矿井，且其临近矿井丰源煤矿曾于2021年4月10日发生过1起造成21人死亡的重大透水事故，因而I010203工作面具备存在冲击地压和突水复合灾害共存的风险。针对宽沟煤矿I010203工作面冲击地压和突水复合灾害的问题，对I010203工作面进行冲击地压和突水危险性评价和防治措施的研究，以保证工作面高效安全生产。1工程概况宽沟煤矿隶属于神新能源公司，位于新疆呼图壁县城西南70 km处，矿区地表处白杨沟河沿沟谷自西而东从含煤地层露头流过，为常年性河流，洪水期月平均流量4.346.64 m3/s，历史最高洪水水位+1 640 m，是区内矿井井下主要补给水源。矿井共有7个采区，I010203工作面位于中央采区西翼。其北部为I010201工作面，之间留设煤柱15 m，南部为井田边界，上部为已开采的I010403、I010405工作面采空区，具体布置如图1所示。图1I010203工作面布置示意图I010203工作面地处西山窑组B2煤层，埋深295342 m，煤层厚度8.6220.84 m，平均9.5 m，属*新疆维吾尔自治区天池百人计划资助项目（新人社函201939号）；中央高校基本科研业务费资助项目(3142018001）冲击地压与矿井突水复合灾害一体化防控技术研究*李红平1，王琼2，贾兵兵1，李根2，秦洪岩2，欧阳振华2（1.国能新疆宽沟矿业有限责任公司，新疆 昌吉831215；2.华北科技学院，河北 廊坊065201）摘要：针对冲击地压与矿井突水复合灾害的问题，以宽沟煤矿I010203工作面为工程背景，对其发生冲击地压和矿井突水灾害的危险性进行了评价，结果表明，I010203工作面具有中等冲击地压和矿井突水的危险。提出了一种顶板预裂爆破的冲击地压与突水复合灾害一体化防控技术，工程实践表明，提出的防控措施有效可行，可有效降低矿井水害与冲击地压灾害发生的危险性。关键词：冲击地压；矿井突水；复合灾害；顶板预裂；一体化防控中图分类号：TD324；TD745.2文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 182 05Research on Integrated Prevention and Control Technology of RockBurst and Mine Water Inrush Compound DisasterLI Hongping1，WANG Qiong2，JIA Bingbing1，LI Gen2，QIN Hongyan1，OUYANG Zhenhua2(1.Kuangou Mining Co.,Ltd.，Xinjiang Company of China Energy Investment Corporation,Changji 831215,China；2.North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China)Abstract:In view of the combined disaster of rock burst and mine water inrush,taking I010203working face of Kuangou coal mine as the engineering background,the risk of rock burst and minewater inrush is evaluated.The results show that I010203 working face has moderate risk of rock burstand mine water inrush.A kind of integrated prevention and control technology of rock burst and water inrushcompound disaster of roof pre-splitting is put forward.The engineering practice shows that theprevention and control measures proposed are effective and feasible,and can effectively reduce the riskof mine water and rock burst disaster.Key words:rock burst；mine water inrush；compound disaster；roof pre-splitting；integrated preventionand controlI010203工作面I010403采空区I010201采空区下顺槽工艺巷上顺槽停采线DF160 H=05 mI010405采空区停采线182第42卷第03期Vol.42 No.03冲击地压与矿井突水复合灾害一体化防控技术研究李红平，等特厚煤层。B2煤层上位煤层B41已开采，B41煤层厚度1.084.35 m，平均2.3 m。工作面中上部沿走向存在DF1断层，落差05 m。工作面顶、底板主要由粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩等组成，具体情况如表1所示。表1煤层顶底板岩性特征2矿井突水危险性分析2.1矿井充水水源矿井水害的常见充水水源有地表水、地下水和老采空区积水。对I010203工作面顶底板岩层、上部采空区含水情况进行探查，未探查到富水层且采空区无积水。结合矿井水文地质条件，综合分析认为造成工作面突水的唯一隐患为矿区内地表白杨沟河水通过采动裂隙下渗补给矿井。2.2导水裂隙带高度计算地表水主要是通过地表风化裂隙带、构造裂隙带以及采动“三带”等通道补给矿井。通过对I010203工作面地质条件分析可知，决定地表水是否下渗的关键在于采动裂隙带发育高度，通常认为采动裂隙带高度导通上覆基岩到达松散层，地表水则有可能下渗入矿井的风险。I010203工作面埋深295342 m，其中上覆基岩厚度192.4286.7 m，上覆松散层厚度6.8110.2 m。采动导水裂隙带包括顶板垮落带和顶板断裂带。顶板垮落带高度h1=M（k1）cos（1）顶板裂隙带高度h2=（13）h1（2）式中M煤层开采厚度，m；k岩石松散系数；煤层倾角，（）。I010203工作面所采B2煤层平均采厚9.5 m，平均倾角14，松散系数，取k1.2。考虑临近多煤层采动的叠加效应，采动裂隙带计算时煤层开采厚度取B2，B41煤层采高总和，即13.5 m。计算得到垮落带高度69.6 m，裂隙带高度69.6208.7 m，则导水裂隙带高度139.2278.3 m。可见，部分地区导水裂隙带能够导通上覆基岩，甚至直接扩展到地表。因此，通过理论分析可以初步确定若不采取矿井水害防治措施，矿井突水风险性较高。2.3覆岩破坏高度数值分析（1）数值模型根据宽沟煤矿I010203工作面现场地质条件，采用3DEC数值分析软件建立数值模型，如图2所示。模型尺寸长宽高480 m330 m10 m，底端为固定约束，两侧为水平简支约束，上部为自由边界，且施加8 MPa的垂直应力以模拟埋深320 m的覆岩自重效应，模型中各围岩力学参数如表2所示。B41煤层与B2煤层平均间距42.8 m，采用下行开采方式。图2数值模型表2模型煤岩层力学参数（2）模拟结果及分析I010405工作面回采结束后覆岩裂隙发育高度约135 m，裂隙发育未到达地表，如图3（a）所示。但在I010203工作面回采后，I010203工作面采空区与I010405工作面采空区贯穿联通并不断向上发育扩展，由于多层采空区叠加效应，采动裂隙带快速发育至地表，如图3（b）所示，该数值模拟结果进一步验证了I010203工作面煤层开采发生矿井水害的危险性。3冲击地压危险性分析3.1冲击地压关键影响因素分析（1）煤岩物理力学性质宽沟煤矿I010203工作面所处的B2煤层动态岩性粗砂岩粉砂岩细砂岩砂质泥岩粗砂岩B42煤层细砂岩B41煤层细砂岩粗砂岩B3煤层粉砂岩细砂岩B2煤层粗砂岩厚度/m14.892667.61.59.64981.84.819.311.821描述灰白色，粗砂结构，层状构造，粗砂为主，钙质胶结灰绿色，粉砂结构，层状构造，砂质、泥质胶结灰白色，细砂结构，巨厚层状结构，致密坚硬，钙质胶结灰色，泥质结构，层状构造，以泥岩为主灰色，粗砂结构，层状构造，钙质胶结黑色粉末状，阶梯状断口，层状构造，坚硬，垂直裂隙发育灰白色，细砂结构，层状构造，致密，钙质胶结黑色，条带结构，块状构造灰白色，细砂结构，层状结构，钙质胶结，含煤线灰白色，粗砂结构，层状结构，钙质胶结黑色，呈块状，沥青光泽，块状结构，属于半亮型煤灰色，粉砂结构，层状构造，致密坚硬，钙质胶结灰白色，细砂结构，以砂岩为主，含少量中砂，厚层状构造黑色，呈块状，阶梯状断口，属于半亮型煤，煤层结构单一灰白色粗砂结构，含少量砂岩，中砂，层状结构，钙质胶结砂质泥岩粉砂岩细砂岩粗砂岩煤密度/kgm-32 5702 6202 5802 5301 335弹性模量/GPa1.256.015.994.092.530.220.210.200.210.25黏聚力/MPa3.433.804.006.572.21内摩擦角/（）37.436.537.0039.236.3抗拉强度/MPa2.281.101.204.210.64泊松比岩层8 MPa黄土粉砂岩泥岩中粒砂岩砂砾岩细粒砂岩含砾粗砂岩砂质泥岩粗粒砂岩B2煤层B41煤层B41煤层B2煤层183第42卷第03期冲击地压与矿井突水复合灾害一体化防控技术研究李红平，等Vol.42 No.03破坏时间254 ms，冲击能力指数3.2，弹性能量指数4.1，单轴抗压强度24.14 MPa，判定为具有弱冲击倾向性煤层；B2煤层顶板弯曲能量指数177.67 kJ，为具有强冲击倾向性的顶板岩层；B2煤层底板弯曲能量指数为26.82 kJ，为具有弱冲击倾向性的底板岩层。（a）I010405工作面开采后（b）I010203工作面开采后图3覆岩裂隙发育情况（2）顶板条件冲击地压常发生在具有坚硬顶板岩层且顶板岩层厚度参数Lst50的条件下。宽沟煤矿I010203工作面直接顶为19.3 m厚的坚硬砂岩，西翼顶板厚度特征参数值Lst93.3，东翼顶板厚度特征参数值Lst80.7，具有较高的冲击地压危险性。I010203工作面的周期来压步距17.224.1 m，平均19.5 m，来压期间矿压显现比较强烈。采用全部垮落法管理顶板，根据顶板赋存条件判断，顶板直接顶为厚度大的坚硬砂岩顶板，悬顶面积大，对工作面冲击地压危险影响程度高，当坚硬顶板处理效果不好，容易诱发冲击地压的发生。通过对I010203工作面冲击地压地质条件和开采情况分析可知，煤岩物理力学性质和顶板条件是导致冲击地压发生的关键影响因素。3.2冲击地压危险性评价基于综合指数法对I010203工作面煤层冲击地压危险性进行评价。综合指数法是指通过地质条件影响冲击危险指数Wt1和开采技术条件影响冲击危险指数Wt2这2个评定指标来对冲击地压危险性进行评价的方法。根据I010203工作面开采布置，按解放层是否产生影响，I010203工作面可划分为被I010405工作面开采解放的区域（区域）和未被I010