李正杰，李連剛，縱 峰，王 濤，張 震

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721599；4.皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 五溝煤礦，安徽 淮北 235000)

近年來，煤礦水害事故多發(fā)，如新疆豐源煤礦“4·10”透水事故，山西朔州茂華萬通源煤業(yè)有限公司“11·11”透水事故，湖南源江山煤礦透水事故，四川杉木樹煤礦“12.14”透水事故等，不僅威脅井下作業(yè)人員安全，也容易引發(fā)次生災(zāi)害，如陜西招賢煤礦曾于2020年連續(xù)發(fā)生3起綜放工作面突水事故，未造成人員傷亡，但由此引發(fā)了大面積切頂壓架，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。目前，高位離層突水誘導(dǎo)工作面切頂壓架災(zāi)害在我國并不多見，屬于新型災(zāi)害類型，該突水壓架具有某些規(guī)律性，僅在陜西彬長、永隴等富含水礦區(qū)特厚煤層開采區(qū)域較為突出。

針對工作面出水壓架問題，許家林、吳玉華等[1-10]早期從覆巖發(fā)育高度、突水機(jī)理、壓架防治技術(shù)等方面進(jìn)行了諸多研究和探討，有效解決了一些突水壓架現(xiàn)場問題。針對由高位離層突水誘導(dǎo)的工作面切頂壓架災(zāi)害，徐剛、黃志增等[11，12]建立了我國工作面頂板災(zāi)害全景監(jiān)測預(yù)警技術(shù)架構(gòu)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，動態(tài)掌握采場圍巖的活動規(guī)律和支架工況，實(shí)現(xiàn)頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警；林青、李正杰等[13，14]基于綜放工作面現(xiàn)場觀測、礦壓數(shù)據(jù)及理論分析，初步提出了以見方步距、支架阻力、長觀孔水位、周期來壓為核心的綜合預(yù)警指標(biāo)；喬偉等[15，16]以水位、微震監(jiān)測數(shù)據(jù)為高位離層突水前兆信息，揭示特厚煤層綜放開采覆巖主控裂隙演化特征及離層水害機(jī)理；婁金福等[17]針對黃隴侏羅紀(jì)煤田采場出水壓架災(zāi)害現(xiàn)狀，構(gòu)建了以“大周期來壓、支架阻力高位預(yù)警、水位降速、宏觀礦壓顯現(xiàn)異?！睘橹鞯某鏊畨杭茴A(yù)警機(jī)制，建立了以危險(xiǎn)區(qū)域劃分、采放工藝優(yōu)化及工作面日常管控為主的防控體系；王曉振等[18]利用松散承壓含水層水位變化與頂板來壓的聯(lián)動效應(yīng)，提出將水位下降速度作為預(yù)警指標(biāo)對壓架突水災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警的方法，并基于地下水動力學(xué)原理導(dǎo)出工作面壓架突水時(shí)的水位降速臨界預(yù)警值計(jì)算公式。以上研究對工作面離層突水壓架防治起到了積極的作用，但研究多注重于突水機(jī)理和突水壓架防治技術(shù)，在高位離層突水壓架監(jiān)測預(yù)警方面研究較少或預(yù)警指標(biāo)研究不深入、不全面，此外，相關(guān)礦區(qū)高位離層突水壓架事故仍未得到徹底解決，機(jī)理掌握還不完全清晰，突水壓架災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生。

在自身以往類似研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合招賢煤礦3次突水壓架災(zāi)害的新特點(diǎn)，本文全面探索高位離層突水誘導(dǎo)大面積切頂壓架災(zāi)害的預(yù)警指標(biāo)及其閾值，提出具有可操作性的監(jiān)測預(yù)警方法，為該類礦區(qū)高位離層突水壓架災(zāi)害防治和工作面安全管理提供理論依據(jù)。

1 工作面基本開采條件

招賢煤礦礦井生產(chǎn)能力2.40Mt/a，主采侏羅紀(jì)延安組3號煤，煤層厚度為4～16m，平均11.0m。3號煤層埋深為401～694m，傾角8°～22°，為易自燃煤層，自然發(fā)火期最短27d。礦井為高瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型劃分為復(fù)雜型，3號煤屬于Ⅱ類弱沖擊傾向性煤層，其頂板巖層均屬于Ⅱ類弱沖擊傾向性頂板巖層。3號煤層鉆孔綜合柱狀圖如圖1所示?；卷敒榉凵皫r，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度為17～38m，最厚50m，平均30m；直接頂為泥巖，厚度為7.6～16.9m，局部達(dá)22.9m，平均14.8m；直接底為碳質(zhì)泥巖或泥巖，厚度1.9～7.4m，平均4.9m，為穩(wěn)定性較差巖體。

圖1 煤層綜合柱狀圖

1304綜放工作面是該礦第2個(gè)回采工作面，走向長度1680m，寬度186m，采高3.5m，放煤高度平均10.5m。1304工作面煤層頂板距巨厚宜君組礫巖含水層底部220～280m，工作面選用ZF16000/21/38D型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度平均1.59MPa；乳化液泵型號為BRW400/37.5，采用遠(yuǎn)距離供液方式。借鑒以往研究[19-21]，在宜君組礫巖與安定組泥巖之間將形成多層高位離層空間。

2 綜放工作面切頂壓架與水-壓聯(lián)動效應(yīng)

2.1 工作面3次切頂壓架案例

1304工作面回采至944m時(shí)，發(fā)生第1次高位離層突水，出水位置為進(jìn)風(fēng)隅角至17號架、31號架至41號架、55號架至58號架，瞬時(shí)最大涌水量約280m3/h，累計(jì)涌水量為16000m3，涌水?dāng)y帶煤泥、泥巖及砂石，工作面中下部第54號支架至第112號支架被煤泥等物於滿，淤積長度約101m，淤積物總量約為640m3。離層突水期間，工作面第25號架至第112號架發(fā)生架前切頂，壓死支架88部。第1次出水壓架工作面停產(chǎn)25d。

工作面回采至1001m時(shí)，發(fā)生第2次高位離層突水，本階段只割煤、未放煤。出水位置為回風(fēng)隅角附近、108號架至104號架、96號架至92號架，瞬時(shí)最大涌水量約260m3/h，累計(jì)涌水量22000m3，涌水?dāng)y帶的煤泥將110號架至112號架淤堵。離層突水期間，工作面第66號架至第112號架煤壁均發(fā)生切斷冒頂，壓死支架47部。第2次出水壓架工作面停產(chǎn)20d。

工作面回采到1109m時(shí)，發(fā)生第3次高位離層突水，出水位置為膠運(yùn)巷自煤壁向外10m范圍至工作面第8號架，瞬時(shí)最大涌水量約420m3/h，累計(jì)涌水量36000m3。出水造成膠運(yùn)巷自切眼向外500m、風(fēng)巷自切眼向外110m以及整個(gè)工作面均被淹，工作面大范圍壓架，甚至立柱變形、炸缸、壓斷等現(xiàn)象。第3次出水壓架后工作面即結(jié)采、回撤。

2.2 水-壓聯(lián)動效應(yīng)

第1次、2次、3次高位離層突水壓架位置如圖2所示，支架工作阻力與長觀孔水位關(guān)系曲線如圖3所示，出水壓架地段的其他支架工作阻力(或壓力)與長觀孔水位關(guān)系曲線均類似，受篇幅所限，僅列舉了典型單個(gè)支架的情形。3月24日水位開始快速下降，3月27日工作面推進(jìn)14.4m發(fā)生大面積來壓，安全閥持續(xù)開啟卸壓；3月30日工作面又推進(jìn)了12m發(fā)生突水壓架；從水位開始下降至工作面突水壓架，周期約6d。5月3日水位開始快速下降，5月4日工作面推進(jìn)了6.4m發(fā)生大面積來壓，安全閥持續(xù)開啟卸壓；5月6日工作面又推進(jìn)了13.6m發(fā)生突水壓架；從水位下降至工作面突水壓架，周期約4d。6月30日05∶00水位開始快速下降，7月1日05∶30左右工作面推進(jìn)約4m發(fā)生大面積來壓，安全閥持續(xù)開啟卸壓；7月1日16∶09機(jī)頭段1#—4#支架壓架，9#支架炸缸、斷柱，當(dāng)天20∶36工作面發(fā)生突水和大面積壓架；從水位下降至工作面突水壓架，周期約2d。

圖2 歷次高位離層突水壓架位置

圖3 1304工作面典型支架工作阻力與長觀孔水位關(guān)系曲線

對比3次高位離層突水壓架的水位-礦壓聯(lián)動關(guān)系可知，招賢礦宜君組高位離層突水與切頂壓架緊密相關(guān)，聯(lián)動顯著且時(shí)序性明顯，從水位下降至大面積來壓工作面分別推進(jìn)了14.4m、6.4m、4m，從大面積來壓至突水壓架工作面分別推進(jìn)了12m、13.6m、2.4m。由此可見，水-壓聯(lián)動效應(yīng)是突水壓架預(yù)警的基礎(chǔ)和前提，為防治工作預(yù)留時(shí)間約2～6d。

3 切頂壓架預(yù)警指標(biāo)閾值確定

3.1 大周期步距

1304工作面寬度為186m，第1次突水壓架時(shí)工作面回采至944m，正位于第5次見方附近；第3次突水壓架時(shí)工作面回采至1109m，位于第6次見方附近。3次突水壓架事故中有2次位于見方附近，可見，工作面見方位置與突水壓架相關(guān)度高。工作面見方是高位基巖層易于發(fā)生大范圍失穩(wěn)破斷的臨界區(qū)，此區(qū)域高位基巖層形變速率最大，導(dǎo)水裂隙快速向上發(fā)育溝通離層空間，在水的綜合作用下架前切頂形成切冒通道，涌水?dāng)y帶泥砂等沖出涌入工作面形成潰水潰砂災(zāi)害。

歷次見方是高位離層突水壓架的高發(fā)區(qū)，可將其作為一個(gè)有效預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合永隴礦區(qū)相關(guān)礦井的防治經(jīng)驗(yàn)及招賢礦出水壓架持續(xù)長度，預(yù)警區(qū)范圍取見方位置前后50m。

3.2 支架增阻速率

1304工作面高位離層突水壓架過程中，支架增阻速率統(tǒng)計(jì)見表1。正常開采非來壓期間，支架增阻速率為0.1～35.4kN/min，平均13.1kN/min；周期來壓期間，支架增阻速率為4.9～66.2kN/min，平均20.6kN/min，增加了57.3%；大面積來壓(突水壓架)期間，支架增阻速率為12.8～392.3kN/min，平均83.6kN/min，比周期來壓增加了305.8%。

表1 1304工作面支架循環(huán)增阻速率統(tǒng)計(jì)

支架增阻速率作為預(yù)警指標(biāo)，為保證其時(shí)效性，將閾值介于周期來壓與大面積來壓支架增速之間，因此，確定以支架平均增阻速率25kN/min為合理的突水壓架預(yù)警值。

3.3 工作阻力與動載系數(shù)

工作面在切頂壓架前后的循環(huán)末阻力、動載系數(shù)特征統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 1304工作面支架循環(huán)末阻力(均值)與動載系數(shù)統(tǒng)計(jì)

大面積來壓之前，正常開采時(shí)支架循環(huán)末阻力為10174～14009kN，平均12565kN；周期來壓時(shí)支架循環(huán)末阻力為14104～16844kN，平均15048kN；大面積來壓期間，支架循環(huán)末阻力為14971～17751kN，平均16358kN。周期來壓期間動載系數(shù)為1.04～1.44，平均1.20，動載不明顯；大面積來壓期間動載系數(shù)為1.18～1.56，平均1.31，動載較強(qiáng)烈。

以連續(xù)5架以上支架平均循環(huán)末阻力大于15500kN、平均動載系數(shù)大于1.25，作為突水壓架預(yù)警指標(biāo)。

3.4 安全閥開啟率

正常來壓時(shí)，工作面支架安全閥開啟率為9.5%～23.8%；出水壓架前，安全閥開啟率持續(xù)增大，由14.3%、23.8%增加到38.1%，最終達(dá)到75%以上，發(fā)生大面積壓架事故，如圖4所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，第1次、2次、3次突水壓架安全閥開啟率分別為76.2%、82%、76.2%。

圖4 1304工作面支架安全閥開啟率變化曲線

工作面支架安全閥開啟率≥30%，開啟壓架預(yù)警；安全閥開啟率≥50%，同時(shí)工作面出現(xiàn)淋水時(shí)，開始撤人至安全區(qū)域。

3.5 長觀孔水位降速

1304工作面突水壓架過程中，臨近工作面2個(gè)長觀孔(G3和G4)水位增速變化曲線如圖5所示。在突水壓架前的6月30日4∶00～6∶00，長觀孔水位開始持續(xù)下降，且水位降速呈遞增趨勢，由0.01～0.02m/h至最大0.26～0.29m/h。從水位降速分析，出現(xiàn)持續(xù)5h以上水位下降、降速不低于0.02m/h且存在繼續(xù)下降的趨勢時(shí)，啟動出水預(yù)警。

圖5 1304工作面長觀孔水位增速變化曲線

4 切頂壓架兩階段預(yù)警方法

將上述6個(gè)預(yù)警指標(biāo)分為兩類：前兆性指標(biāo)和實(shí)時(shí)性指標(biāo)。其中，前兆性指標(biāo)包括初次來壓步距和大周期步距，實(shí)時(shí)性指標(biāo)包括支架增阻速率、工作阻力與動載系數(shù)、安全閥開啟率、長觀孔水位降速。由此，提出了切頂壓架兩階段預(yù)警方法，即超前預(yù)警和實(shí)時(shí)預(yù)警。

4.1 超前預(yù)警

在工作面開采之前，基于高位離層突水-壓架聯(lián)動效應(yīng)研究，結(jié)合出水壓架前兆性指標(biāo)及工作面地質(zhì)異常區(qū)勘探位置，提前劃定出水壓架風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域進(jìn)行超前預(yù)警，并制定該區(qū)域的突水壓架預(yù)案。

以接續(xù)的1305工作面為例，1305工作面劃分的5個(gè)突水壓架危險(xiǎn)區(qū)，1305工作面突水壓架超前預(yù)警范圍如圖6所示，主要包括初次來壓(40～60m)20m和各見方位置(前后25m)50m范圍。工作面推進(jìn)至該區(qū)域之前，即開始注重加強(qiáng)礦壓與水文監(jiān)測，推進(jìn)過程中若各預(yù)警指標(biāo)均無異常變化，則工作面正常推進(jìn)；若預(yù)警指標(biāo)部分或全部達(dá)到規(guī)定的預(yù)警值，則采取降低采放高度、加快工作面推進(jìn)速度、保障排水設(shè)施設(shè)備正常運(yùn)行等出水壓架防治措施。

圖6 1305工作面突水壓架超前預(yù)警

4.2 實(shí)時(shí)預(yù)警

在工作面開采過程中，利用現(xiàn)場觀測和礦井布置的監(jiān)測儀器獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析支架增阻速率、工作阻力、動載系數(shù)、安全閥開啟率以及長觀孔水位降速等預(yù)警指標(biāo)的變化狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)預(yù)警。根據(jù)現(xiàn)場突水壓架的時(shí)效性，選擇以天為單位形成工作面礦壓日報(bào)表，把工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、初撐力管理、支架工況、水文變化、生產(chǎn)情況等基本信息準(zhǔn)確提取，判斷是否達(dá)到突水壓架預(yù)警指標(biāo)，及時(shí)反饋現(xiàn)場，指導(dǎo)工作面突水壓架防治。

當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值后，啟動兩級預(yù)警-防治機(jī)制：

1)水位開始持續(xù)下降至大面積來壓階段，啟動出水壓架第I級預(yù)警-防治。加快工作面推進(jìn)速度，工作面只割煤不放煤，確保不小于8刀/d；檢查兩端頭抽水泵狀況，確?？梢噪S時(shí)開啟工作；帶壓擦頂移架，保證初撐力和架形，防止架前切頂；泄水孔透孔；工作面預(yù)留底煤，防止底板泥化、支架鉆底等。

2)工作面大面積來壓至出水開始階段，啟動出水壓架第II級預(yù)警-防治。在第I級防治措施基礎(chǔ)上，超前拉架護(hù)頂，防止?jié)⑺疂⑸?；保證兩回采巷道具備良好的移超前架條件；檢查局扇狀況，工作面接風(fēng)筒備用；出水量顯著增大或多部支架活柱快速下縮且局部被壓死或出現(xiàn)潰水潰砂時(shí)，工作面撤人。

當(dāng)含水層水位上升至穩(wěn)定狀態(tài)，礦壓也恢復(fù)正常，工作面無淋水，距上一出水點(diǎn)推進(jìn)不小于50m后，即可解除出水壓架預(yù)警，工作面正常生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1)基于招賢煤礦3次高位離層突水壓架案例分析，離層突水與切頂壓架聯(lián)動效應(yīng)顯著，且具有“水位下降—大面積來壓—突水壓架”穩(wěn)定的時(shí)序性特征，水—壓聯(lián)動效應(yīng)為突水壓架預(yù)警及防治預(yù)留約2～6d時(shí)間或6.4～26.4m的推進(jìn)度。

2)確定了大周期步距、支架增阻速率、支架工作阻力、動載系數(shù)、安全閥開啟率及長觀孔水位降速6個(gè)預(yù)警指標(biāo)的合理閾值，作為綜放工作面高位離層突水壓架預(yù)警的參數(shù)。

3)提出了切頂壓架的兩階段預(yù)警方法。以大周期步距和初次來壓為超前預(yù)警依據(jù)，屬于采前預(yù)警；以支架增阻速率、工作阻力、動載系數(shù)、安全閥開啟率以及長觀孔水位降速為實(shí)時(shí)預(yù)警依據(jù)，屬于采中預(yù)警，并制定了突水壓架兩級預(yù)警-防治機(jī)制。

4)在招賢煤礦1305工作面試驗(yàn)應(yīng)用了切頂壓架兩階段預(yù)警方法，目前工作面已順利回采了500余米，經(jīng)歷了初次來壓和2次大周期來壓，水位異常變化2次。通過執(zhí)行突水壓架兩級預(yù)警-防治機(jī)制，工作面沒有發(fā)生突水和切頂壓架災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了安全回采。