劉 虎，張呈祥，張 凡，劉志剛

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600；2.淄博礦業(yè)集團(tuán) 煤炭產(chǎn)業(yè)部，山東 淄博 255199；3.陜西煤礦安全監(jiān)察局 咸陽分局，陜西 西安 710001；4.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

深部礦井工作面開采與災(zāi)害耦合關(guān)系分析

劉 虎1，張呈祥2，張 凡3，劉志剛4

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600；2.淄博礦業(yè)集團(tuán) 煤炭產(chǎn)業(yè)部，山東 淄博 255199；3.陜西煤礦安全監(jiān)察局 咸陽分局，陜西 西安 710001；4.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

針對深部礦井工作面開采與災(zāi)害耦合關(guān)系，采用現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：工作面微震事件數(shù)目、能量變化受工作面回采影響明顯；工作面涌水量隨工作面推進(jìn)距離增加而增大；工作面硫化氫濃度隨工作面后方采空區(qū)頂板垮落范圍加大，整體呈現(xiàn)上升趨勢；工作面回風(fēng)流CO與回風(fēng)隅角CO變化有一定關(guān)聯(lián)性，在推采至200m時(shí)回風(fēng)流CO達(dá)到最大值，為23×10-6，隨后出現(xiàn)下降。該研究成果對類似條件礦井具有一定的參考價(jià)值。

深部礦井；微震事件；涌水量；多災(zāi)害共存；推采進(jìn)度

高家堡井田東西長約25.7km，南北寬約16.6km，井田面積219.1681km2。井田內(nèi)含煤地層主要為延安組。本區(qū)延安組第一段發(fā)育的4號(hào)煤層為厚煤層，結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)大部可采，4號(hào)煤層在東區(qū)和西區(qū)局部分叉，編號(hào)為4-1煤；第二段在東區(qū)東北部和西區(qū)發(fā)育薄煤層，編號(hào)4上煤。礦井一盤區(qū)4煤層賦存深度在800～1000m之間，屬于較為典型的深井開采[1-3]。

礦井地質(zhì)條件復(fù)雜、煤層埋藏深、地壓大，具有沖擊傾向性[4]，伴隨瓦斯、硫化氫、煤層自燃、頂板承壓水等災(zāi)害，因此應(yīng)對首采面的回采情況進(jìn)行多災(zāi)害耦合的系統(tǒng)分析，找到災(zāi)害顯現(xiàn)的一般規(guī)律，為后續(xù)工作面的安全開采提供基礎(chǔ)資料。

1 工作面基本情況

1.1 工作面位置及頂?shù)装甯艣r

101工作面為陜西正通煤業(yè)高家堡礦井首采工作面，井下位于一盤區(qū)西翼中部，西部為一盤區(qū)回風(fēng)大巷、一盤區(qū)膠帶大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷；東部為F2斷層保護(hù)煤柱；其余四周均為實(shí)炭區(qū)。

101工作面寬120m，走向推采長度350m，平均煤厚10.5m，工作面共布置3條巷道，分別為運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、輔助運(yùn)輸巷。以上巷道均留1.5～2.0m底煤布置，工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷坡度為3～4°。101工作面整體為俯采，運(yùn)輸巷巷道底板標(biāo)高整體比回風(fēng)巷高。

工作面平面位置示意如圖1所示，工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

圖1 高家堡礦井101工作面平面位置示意

名稱巖性平均厚度/m巖性特征基本頂中粒砂巖9.9淺灰白色,成分以石英為主,顆粒次棱角狀,分選均勻,鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié),不顯層理,含植物炭化碎屑,與下伏層明顯接觸直接頂泥巖3.66深灰色,具水平層理,含植物炭化碎屑及鏡煤條帶,與下伏層明顯接觸直接底鋁質(zhì)泥巖5.5深灰～灰色,團(tuán)塊狀,斑塊狀,含植物根系化石,吸水性強(qiáng),易風(fēng)化老底泥巖未穿過淺灰～淺紫紅色,團(tuán)塊狀,斑塊狀,具滑面,吸水性強(qiáng),易風(fēng)化,夾粉砂巖薄層

1.2 影響回采的主要災(zāi)害因素分析

(1)沖擊傾向性 根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，101工作面主采煤層4煤屬Ⅲ類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層；4煤的頂?shù)装鍘r層均屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的頂?shù)装鍘r層。

(2)瓦斯賦存 2014年7月由陜西省咸陽市救護(hù)大隊(duì)對礦井進(jìn)行了瓦斯等級鑒定，經(jīng)測定，礦井絕對瓦斯涌出量為1.54m3/min。2015年1月由煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司在首采工作面101回風(fēng)巷距門口200m處、320m處各取了1個(gè)煤樣進(jìn)行分析，經(jīng)測定原煤瓦斯含量0.84～1.45m3/t，其中可解析瓦斯含量0.45～0.88m3/t，預(yù)計(jì)101首采工作面的瓦斯絕對涌出量為2.8m3/min。

(3)工作面承壓水 井田水文地質(zhì)勘探類型屬以裂隙充水為主，礦區(qū)水文地質(zhì)類型劃分為復(fù)雜型。對工作面有影響的隔、含水層自上而下為：第四系松散層孔隙含水層；白堊系下統(tǒng)華池、洛河組、宜君孔隙～裂隙承壓含水層組；中侏羅統(tǒng)安定組泥巖隔水層；侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙承壓含水層；侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及其頂板砂巖承壓含水層；下侏羅統(tǒng)富縣組相對隔水層組。其中，河谷區(qū)的第四系含水層與宜君、洛河組承壓含水層是本井田主要含水層，其余含水層含水微弱。依據(jù)鄰近生產(chǎn)礦井經(jīng)驗(yàn)[5]，101工作面最大涌水量取為正常涌水量的1.5倍，即505m3/h。

(4)煤的自然傾向性 101工作面主采煤層4煤屬自燃煤層，最短自然發(fā)火期37d。

(5)硫化氫含量偏高 硫化氫氣體(H2S)是煤礦井下有毒有害氣體之一，含量較高時(shí)，對人體具有一定傷害。由于101工作面為礦井首采面，因此硫化氫氣體含量存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 工作面配置及開采工藝設(shè)計(jì)

工作面裝備采煤機(jī)1臺(tái)，型號(hào)為MG500/1280-WD；液壓支架72架，其中中部支架64架，型號(hào)為ZF16000/22/40；過渡支架7架，型號(hào)為ZFG16000/25/40H；端頭支架1組2架，型號(hào)分別為ZTZ19500/24/40，ZTZ6500/24/40；運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷各配置1套超前架組，型號(hào)為ZCZ18720/24/40，長度21m；工作面前部刮板輸送機(jī)1部，型號(hào)為SGZ1000/2000；后部刮板輸送機(jī)1部，型號(hào)為SGZ1200/2000；轉(zhuǎn)載機(jī)1部，型號(hào)為SZZ1350/700；巷道帶式輸送機(jī)1部，型號(hào)為DSJ140/250/4×400。

根據(jù)開采設(shè)計(jì)，101工作面前期120m采用綜采工藝，采高3.5m；后期210m采用綜放工藝，采放總高度6.0m；剩余20m為撤面創(chuàng)造條件，采用綜采工藝，采高3.5m。

可采儲(chǔ)量=270×120×6.0×1.39×85%+80×120×3.5×1.39×95%=274(kt)。

2 推進(jìn)距離與覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

2.1 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬分析

基于離散元方法，通過建立UDEC數(shù)值模擬模型[6]，依據(jù)101工作面實(shí)際開采條件，模擬分析工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7-8]，評價(jià)工作面開采對覆巖運(yùn)動(dòng)的影響。

圖2為工作面采高為3.5m時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)演化特征。

圖2 工作面采高為3.5m時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)演化特征

分析圖2可以判定，當(dāng)101工作面采高為3.5m時(shí)，垮落帶發(fā)育高度為7m左右，裂縫帶發(fā)育高度為83m左右，裂縫帶可達(dá)安定組隔水層，裂縫帶以上直至地表為彎曲下沉帶。

圖3為工作面采高為6m時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)演化特征。

圖3 工作面采高為6m時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)演化特征

由圖3可以判定，當(dāng)101工作面采高達(dá)到6m時(shí)，垮落帶發(fā)育高度為11m左右，裂縫帶發(fā)育高度為105m左右，裂縫帶可達(dá)安定組砂質(zhì)泥巖層，裂縫帶以上直至地表為彎曲下沉帶。

2.2 工作面來壓實(shí)測統(tǒng)計(jì)

(1)工作面推進(jìn)距離0～50m 生產(chǎn)時(shí)間為2015.12.9-2015.12.29，共生產(chǎn)20d(12月17日未生產(chǎn))，平均推采速度為2.5m/d。12月28日，推采至47.5m時(shí)初次來壓。

(2)工作面推進(jìn)距離51～100m 生產(chǎn)時(shí)間為2015.12.30-2016.1.20，共生產(chǎn)21d(12月31日未生產(chǎn))，平均推采速度為2.38m/d。1月8日，推采至70.5m時(shí)，第1次周期來壓，步距為23m。1月19日，推采至95.5m，第2次周期來壓，步距為25m。

(3)工作面推進(jìn)距離101～150m 生產(chǎn)時(shí)間為2016.1.21-2016.2.23，共生產(chǎn)20d(2.3-2.16春節(jié)放假停產(chǎn))，平均推采速度為2.5m/d。1月28日，推采至120.5m時(shí)，工作面1次見方，第3次周期來壓，步距為25m。2月22日，推采至145.5m時(shí)，工作面第4次周期來壓，步距為25m。

(4)工作面推進(jìn)距離151～200m 生產(chǎn)時(shí)間為2016.2.24-2016.3.9，生產(chǎn)13d(2.28-2.29日未生產(chǎn))，平均推采速度3.85m/d。3月3日，推采至170.5m時(shí)，工作面第5次周期來壓，步距為25m。3月9日，推采至195.5m時(shí)，工作面第6次周期來壓，步距為25m。

(5)工作面推進(jìn)距離201～250m 生產(chǎn)時(shí)間為2016.3.10-2016.3.20，共生產(chǎn)11d，平均推采速度為4.55m/d。3月13日，推采至220.5m時(shí)，工作面第7次周期來壓，步距為25m。3月18日，推采至240m時(shí)，工作面2次見方。3月19日，推采至245.5m時(shí)，工作面第8次周期來壓，步距為25m。

3 工作面推采與各參數(shù)耦合分析研究

3.1 推采距離與微震規(guī)律耦合分析

圖4所示為101工作面開采過程中微震活動(dòng)與推進(jìn)距離的相互關(guān)系。從圖中可以看出受101工作面開采設(shè)計(jì)影響，前120m(采高為3.5m)，該階段微震事件數(shù)量總體維持在1000個(gè)左右。當(dāng)采高改為6m后，工作面微震事件首先出現(xiàn)了下降[9]，該階段主要受2月28-29日工作面停采檢修影響。之后工作面微震事件數(shù)量出現(xiàn)大范圍增長[10]，可以看出采高對于101工作面微震事件數(shù)量具有一定影響。同時(shí)，可以看出微震事件能量與微震事件數(shù)量在工作面推采過程中受推進(jìn)距離影響較大，在200m區(qū)域呈現(xiàn)了較大幅度的增長[11]，受工作面開采設(shè)計(jì)和停產(chǎn)檢修影響較為明顯[12]。

圖4 微震事件數(shù)量、能量與推進(jìn)距離關(guān)系

3.2 推采距離與涌水量耦合分析

圖5所示為101工作面涌水量與推采距離相互關(guān)系。從圖中可以看出受頂板承壓水影響，101工作面整體水文情況較為復(fù)雜，涌水量一直隨工作面推采距離增加而增大，隨著工作面推采面積加大，開采設(shè)計(jì)改變，工作面涌水出現(xiàn)增大。工作面推過運(yùn)輸巷疏放水孔終孔位置后，后部頂板垮落折斷放水孔，導(dǎo)致鉆孔涌水進(jìn)入面后。受工作面見方及周期來壓影響，根據(jù)UDEC數(shù)值模擬分析，上覆承壓水巖層裂隙發(fā)育明顯，導(dǎo)致涌水量增大。

圖5 工作面涌水量與推采距離關(guān)系

3.3 推采距離與工作面H2S，CO涌出量耦合分析

圖6所示為101工作面H2S，CO涌出量與推采距離的相互關(guān)系，從圖中可以看出H2S隨101工作面推采整體呈現(xiàn)增加趨勢，由最低2.6×10-6增大至4.3×10-6。主要原因是受面后垮落造成頂板及圍巖體裂隙增大，使H2S氣體得到釋放，從而引起濃度升高。同時(shí)，從圖6可以看出回風(fēng)流CO含量大小直接體現(xiàn)出采空區(qū)遺煤自燃性，CO濃度異常升高，則表明面后遺煤出現(xiàn)自燃前兆現(xiàn)象的可能性增大。從圖中亦可看出，101工作面回風(fēng)流CO與回風(fēng)隅角CO變化與推采距離有一定關(guān)聯(lián)性，在工作面推采至200m時(shí)回風(fēng)流CO達(dá)到最大值，為23×10-6，隨后出現(xiàn)下降。

圖6 工作面硫化氫涌出量與推采距離關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)工作面微震事件數(shù)目、能量變化受推進(jìn)距離影響明顯。通過微震數(shù)據(jù)總結(jié)分析可得出結(jié)論，101工作面在保持采高3.5m不變的前提下，日推采速度不超過5m可保證工作面安全推采，在放煤情況下的合理推采速度仍有待進(jìn)一步確定。

(2)101工作面涌水量一直隨工作面推進(jìn)距離增加而增大。

(3)工作面H2S濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢，由2.6×10-6增大至4.3×10-6，分析為面后垮落造成H2S釋放引起濃度升高。回風(fēng)流CO與回風(fēng)隅角CO變化有一定關(guān)聯(lián)性，在推采至200m時(shí)回風(fēng)流CO達(dá)到最大值，為23×10-6，隨后出現(xiàn)下降。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Analysis of Compound Relation Between Working Face Mining and Disaster in Deep

LIU Hu1，ZHANG Cheng-xiang2，ZHANG Fan3，LIU Zhi-gang4

(1.Shaanxi Zhengtong Coal Co.，Ltd.，Xianyang 713600，China；2.Coal Production Department，Zibo Mine Corporation，Zibo 255199，China；3.Xian yang Mine Safety Supervision Division Bureau，Shaanxi Coal Mine Safety Supervision Bureau，Xi’an 710001，China；4.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mine Technology，Xuzhou 221116，China)

To compound relation of working face mining and disasters in deep mine，and field observation and numerical simulation was applied.The results showed that the number of micro seismic event of working face，energy variation were influenced by working face mining obviously，water inrush amount increased with working face advanced distance increased，and hydrogen sulfide density increased with goaf roof collapse scope increased backward of working face，its total appeared upward trend，some relation between CO of working face air flow and return airway corner CO，working face air flow CO reached its the maximal，its about 23×10-6，then the value decreased.It references for similar situation.

mine in deep，micro seismic event，water inrush amount，many disasters coexistence，mining speed

2016-11-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.007

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX16_0556)

劉 虎(1982-)，男，山東濟(jì)南人，碩士，工程師，主要從事礦井動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測、防治技術(shù)研究工作。

劉 虎，張呈祥，張 凡，等.深部礦井工作面開采與災(zāi)害耦合關(guān)系分析[J].煤礦開采，2017，22(3)：24-27.

TD71

A

1006-6225(2017)03-0024-04