松散承压含水层下采煤压架突水灾害发生条件及防治研究

我国华东、华北等矿区内煤系地层普遍被第四系巨厚松散层覆盖，该松散层底部存在着一层以非胶结沙土、砂砾、砾石为骨架的承压含水层，邻近该松散承压含水层的工作面在开采过程中，曾发生多起压架突水灾害。以皖北祁东煤矿为例，直接赋存于基岩上部的松散含水层的平均厚度为35~50m，静水水压达3~4MPa。自2002年投产以来，该矿相继在8个工作面发生了17起压架突水事故，严重影响了矿井的正常生产，造成了巨大的经济损失。针对松散承压含水层下采煤压架突水灾害问题，论文综合运用理论分析、数值模拟与物理模拟试验、现场实测等手段，就松散承压含水层下采煤压架突水灾害的发生机理、发生条件及防治对策等进行了深入的研究。通过理论与模拟实验研究，揭示了松散承压含水层下采煤压架突水灾害的产生机理，得出松散承压含水层的载荷传递作用导致一定覆岩条件的关键层结构发生整体破断是引发上述压架突水灾害的根本原因。研究掌握了松散承压含水层骨架特征、覆岩关键层结构、主关键层结构稳定性等因素对工作面压架突水的影响规律。当含水层骨架以粗颗粒砂砾为主时，含水层厚度越大、渗透性能越好，载荷传递系数越大，覆岩关键层越容易发生复合破断。在含水层载荷传递系数较大的情况下，如果覆岩中存在坚硬岩层，那么基岩厚度越小、煤层上方10倍采高范围内存在厚硬岩层、煤层上方第1层硬岩层厚度越大时，覆岩容易发生整体复合破断导致压架事故，此时主关键层一般处于失稳状态，顶板导水裂隙异常发育并沟通含水层，引发突水灾害。为实现松散承压含水层下工作面的安全开采，研究形成了“危险区域预测—水位预警—实时调控”的灾害防治技术体系。根据压架突水灾害的发生条件，提出了松散承压含水层下采煤工作面压架突水危险区域的预测方法，即首先确定含水层载荷传递系数，在该系数较大的情况下，再根据钻孔柱状判断易发生复合破断的区域，即压架突水的危险区域；针对危险区域内工作面的安全开采，提出基于关键层位置的顶板预裂爆破和采用高阻力支架等措施来防范压架突水灾害；在工作面开采过程中，基于长观孔水位与顶板来压的联动效应，结合地下水动力学原理，计算出压架突水灾害的临界水位降速预警值，对灾害进行实时预警，并通过支护质量监测、采煤速度调控等措施来避免压架突水灾害的发生。松散承压含水层下采煤压架突水灾害发生条件及防治对策的研究成果，在祁东煤矿6130、7121等工作面得到了成功的应用，实现了上述工作面的安全开采，挽回直接经济损失1270万元，创造直接经济效益7862.8万元，社会、经济效益显著。