山西長(zhǎng)治羊頭嶺北峙峪煤業(yè)有限公司9號(hào)煤層蹬空開(kāi)采論證

郝 權(quán)

（山西長(zhǎng)治羊頭嶺北峙峪煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

煤礦下部煤層巷柱式開(kāi)采后，再對(duì)上層煤進(jìn)行回采，既不符合低瓦斯礦井煤層開(kāi)采的“由上向下”的順序規(guī)定，也會(huì)給上覆煤層開(kāi)采帶來(lái)很大的潛在安全隱患。由于山西長(zhǎng)治羊頭嶺北峙峪煤業(yè)有限公司下覆15號(hào)煤層開(kāi)采后的頂板冒落高度、裂隙帶高度都是未知數(shù)，對(duì)9號(hào)煤層的底板破壞程度的大小直接影響9號(hào)煤層的回采安全。因此在開(kāi)采9號(hào)煤之前，首先對(duì)原15號(hào)煤層的開(kāi)采情況進(jìn)行周密調(diào)查、鉆探、計(jì)算、分析、研究和論證，徹底搞清楚15號(hào)煤層在歷史開(kāi)采后頂板的冒落帶和裂隙帶情況和對(duì)9號(hào)煤層底板的影響程度，為9號(hào)煤層的開(kāi)采提供可靠的技術(shù)依據(jù)，確保9號(hào)煤層回采的安全。

1 工程概況

為回收9號(hào)煤層一采區(qū)回風(fēng)巷以北的煤炭資源，準(zhǔn)確掌握本回采區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)、煤層賦存參數(shù)等情況，必須通過(guò)多種可行的方式進(jìn)行論證。經(jīng)礦委會(huì)研究決定：先進(jìn)行探巷勘探，在探巷施工過(guò)程中對(duì)其底板進(jìn)行鉆探探測(cè)。其施工具體位置、底板情況及下覆煤層敘述如下。

1）本煤層情況：計(jì)劃在9號(hào)煤一采區(qū)回風(fēng)巷以北施工1號(hào)、2號(hào)探巷，進(jìn)而開(kāi)掘切眼，形成一個(gè)壁式開(kāi)采的回采工作面進(jìn)行回采，而兩條此探巷位于一采區(qū)回風(fēng)巷北側(cè)，西側(cè)為主斜井，東側(cè)為村莊保安煤柱，經(jīng)過(guò)調(diào)查，這塊煤田是實(shí)體煤。

2）下層煤情況：1號(hào)、2號(hào)探巷下部距離15號(hào)煤層約30 m，其中間有三層石灰?guī)r，由上至下依次為k4、k3和k2，其普氏系數(shù)f=6左右，硬度較大。k4層厚度為3.95 m、k3層厚度為3.35 m、k2層厚度為5.7 m，其余大部分為砂質(zhì)泥巖，普氏系數(shù)f=3，還有1.8 m厚的粉砂巖，普氏系數(shù)f=5。

2 探巷施工風(fēng)險(xiǎn)性論證

2.1 下覆15號(hào)煤層開(kāi)采情況調(diào)查

9號(hào)煤層計(jì)劃施工的1號(hào)、2號(hào)探巷的下覆15號(hào)煤層已經(jīng)開(kāi)采過(guò)，據(jù)調(diào)查是采用巷柱式采煤法開(kāi)采，該方法一般是先掘進(jìn)4 m寬的數(shù)條巷道，中間留有20 m左右的煤柱，每隔50 m在兩巷之間開(kāi)掘一條聯(lián)巷，當(dāng)掘進(jìn)至設(shè)計(jì)位置時(shí)，從里向外逐漸擴(kuò)幫退出，直至擴(kuò)幫至距離巷口20 m停止。從開(kāi)掘巷道至向兩側(cè)擴(kuò)幫，一般寬度為10～16 m左右，擴(kuò)幫后，兩巷道中間一般留有8～14 m寬度不等的煤柱支撐著頂板。

2.2 利用下覆采動(dòng)區(qū)內(nèi)垮落帶高度論證

采用長(zhǎng)壁式采煤采空區(qū)垮落帶高度進(jìn)行預(yù)測(cè)比對(duì)。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》（2017年5月）計(jì)算垮落帶高度。

因?yàn)?5號(hào)煤層直接頂為k2石灰?guī)r，普氏系數(shù)f=6，所以這里采用如下公式計(jì)算：

通過(guò)以上計(jì)算，不難看出計(jì)算結(jié)果比9號(hào)至15號(hào)的層間距小，也就是說(shuō)，即使是長(zhǎng)壁式開(kāi)采，垮落帶也不會(huì)波及到9號(hào)煤層底板。

表1 厚煤層（0°～54°）分層開(kāi)采的垮落帶高度計(jì)算公式

2.3 按照自然平衡拱冒落帶高度預(yù)測(cè)對(duì)比

普氏理論認(rèn)為冒落帶的形狀為拋物線，其冒落高度可以用下式計(jì)算：

式中：a為巷道半寬；f為各巖層疊加后的普氏系數(shù)，取加權(quán)平均值2。

分析巷道冒落高度數(shù)據(jù)，與9號(hào)、15號(hào)層間距30 m進(jìn)行對(duì)比，即使巷道有冒落，其高度只有采高的2倍左右，不會(huì)波及到9號(hào)煤層的底板，據(jù)此推斷探巷施工是安全的。

2.4 在探巷中底板進(jìn)行鉆探探測(cè)驗(yàn)證

為了徹底探清1號(hào)、2號(hào)探巷之間資源區(qū)下覆15號(hào)煤層采動(dòng)后對(duì)上覆9號(hào)煤層的破壞程度，一方面進(jìn)行巷道探測(cè)，另一方面在探巷的底板布孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

2.4.1 探巷驗(yàn)證

在1號(hào)、2號(hào)探巷施工過(guò)程中，采用炮掘，巷道寬度為3.5 m，高度為2.2 m，沿著頂板向前掘進(jìn)，由于煤層厚度為1.25 m，所以臥底0.95 m。頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板為細(xì)砂質(zhì)泥巖。支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿間排距為0.9 m，錨索間距為1.8 m，排距為2.7 m，頂板破碎時(shí)加設(shè)自制鋼筋梯子梁。錨桿直徑18 mm，長(zhǎng)度2000 mm，左螺旋無(wú)縱筋，錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度5000 mm。鋼筋網(wǎng)直徑4 mm，網(wǎng)片長(zhǎng)1.7 m，寬度1.1 m。

在掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)頂板和底板受15號(hào)煤層采動(dòng)影響的裂隙，明顯的表現(xiàn)是，掘進(jìn)過(guò)程中有9號(hào)煤層頂板錨索鉆孔在鉆進(jìn)至4 m時(shí)開(kāi)始出水，經(jīng)過(guò)與ZK-1水文鉆孔柱狀圖對(duì)比，為砂巖含水層水，在9號(hào)煤層頂板3.35 m內(nèi)為泥巖或砂質(zhì)泥巖，本層為良好的隔水層，之上是2.45 m厚的細(xì)砂巖和粉砂巖，再向上又是1.55 m厚的泥巖，所以工作面頂板的錨索鉆孔的水是砂巖含水層水，通過(guò)錨索鉆孔進(jìn)入掘進(jìn)工作面。倘若1號(hào)探巷和2號(hào)探巷施工的地方受到原15號(hào)煤層采動(dòng)的影響波及到9號(hào)煤層使9號(hào)煤層頂?shù)装逍纬闪严?，那么砂巖含水層的水就會(huì)沿著裂隙泄入15號(hào)煤層采空區(qū)，現(xiàn)在掘進(jìn)的巷道頂板就會(huì)沒(méi)有淋水，或鉆孔就不會(huì)出水。

所以，經(jīng)過(guò)巷探驗(yàn)證，原15號(hào)煤層的采動(dòng)對(duì)9號(hào)煤層底板和頂板沒(méi)有影響。

2.4.2 鉆探探測(cè)驗(yàn)證

在1號(hào)探巷和2號(hào)探巷施工過(guò)后，緊接著在后面巷道中布置鉆孔驗(yàn)證底板的破壞情況和深度。

1）鉆孔的布置。巷道每掘進(jìn)30 m向底板布置一個(gè)鉆孔，鉆孔深度為30 m，鉆孔方向在1號(hào)探巷中鉆孔剖面垂直于2號(hào)探巷（俯角30°），鉆孔與鉛錘方向形成60°的夾角，在2號(hào)探巷中鉆孔剖面垂直于1號(hào)探巷的方向（俯角30°），與鉛錘方向形成60°的夾角。

2）鉆探工具。采用ZYD1200S型巖石鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)。

3）鉆探成果。通過(guò)對(duì)1號(hào)、2號(hào)探巷底板的鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度30 m鉆進(jìn)角度俯斜向下30°，沒(méi)有一個(gè)鉆孔出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。說(shuō)明在9號(hào)底板以下15 m的范圍內(nèi)沒(méi)有裂隙，進(jìn)而說(shuō)明原15號(hào)煤層采動(dòng)后，其頂板沒(méi)有冒落，對(duì)9號(hào)煤層的采掘沒(méi)有影響。

2.5 其他因素論證

本探巷的下覆15號(hào)煤層原為巷柱式采煤法，巷道采寬一般最寬16 m左右，兩巷道中間最小留有8 m寬度不等的煤柱支撐著頂板。

15號(hào)煤層底板為4～5 m的灰黑色鋁質(zhì)泥巖，硬度較小，遇水膨脹。

根據(jù)1511、15101和15102回采工作面的回采經(jīng)驗(yàn)：這幾個(gè)工作面在回采過(guò)程中其運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽在超前壓力下呈現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，幫部也在逐漸收斂，特別是在1511工作面回采時(shí)，其中間有一條與工作面垂直的舊巷道，隨著回采工作面的向前推進(jìn)，礦壓逐漸顯現(xiàn)，舊巷受壓嚴(yán)重，底鼓、幫部收斂十分明顯，巷道底鼓收斂使得底板和頂板接觸在了一起，方言叫“親嘴”，可是頂板沒(méi)有冒落，只是底板鼓起，幫部收斂形成的。

15號(hào)煤層頂板為石灰?guī)r，硬度大，底板為泥巖，遇水膨脹，在這樣的條件下，探巷下覆的15號(hào)煤采動(dòng)區(qū)也會(huì)出現(xiàn)“親嘴”現(xiàn)象，這樣就會(huì)阻止頂板的下沉和冒落，對(duì)巷道頂板的冒落起保護(hù)作用，進(jìn)而9號(hào)煤層的底板也不會(huì)出現(xiàn)下沉和裂隙。

2.6 水文地質(zhì)方面論證可行性

9號(hào)煤層上覆k5石灰?guī)r是一層強(qiáng)含水層，下覆k4石灰?guī)r也是強(qiáng)含水層。

在ZK4孔9號(hào)煤充水含水地層C3t上部k5灰?guī)r與砂巖含水層混合抽水，靜止水位埋深57.45 m，單位涌水量為3.138～4.494 L/（s·m），滲透系數(shù)平均19.6374 m/d，屬?gòu)?qiáng)富水性。在探巷施工中為上山掘進(jìn)勘探，水會(huì)自行流出工作面進(jìn)入水倉(cāng)，探巷施工較為安全。

15號(hào)煤充水含水地層k2、k3、k4灰?guī)r及砂巖含水地層混合抽水試驗(yàn)，靜止水位埋深125.63 m，單位涌水量為4.786～7.152 L/（s·m），滲透系數(shù)平均為25.1673 m/d，屬?gòu)?qiáng)—極強(qiáng)富水性。其中k4石灰?guī)r為9號(hào)煤層的底板，雖然9號(hào)煤層底板的k4石灰?guī)r是強(qiáng)富水性，但是在施工9號(hào)煤層采區(qū)水倉(cāng)的過(guò)程中曾經(jīng)揭露了k4石灰?guī)r的溶洞，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)溶洞中沒(méi)有水，再則現(xiàn)在施工的探巷底板標(biāo)高高于9號(hào)煤層采區(qū)水倉(cāng)底部的標(biāo)高。據(jù)此判斷探巷的底板k4石灰?guī)r中沒(méi)有水。因此探巷施工是安全的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析論證，在15號(hào)煤上部1號(hào)、2號(hào)探巷附近進(jìn)行采掘活動(dòng)不會(huì)受到蹬空、水患、采空區(qū)、鉆孔、廢棄井筒等的影響，采掘施工是安全的，進(jìn)而形成的9104壁式回采工作面進(jìn)行回采是安全的。

目前該回采工作面已經(jīng)回采了180 m，周期來(lái)壓已經(jīng)過(guò)去9次，在回采過(guò)程中頂、底板和幫部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何裂縫和壓力凸顯現(xiàn)象，回采工作面支架和頂板沒(méi)有任何異?，F(xiàn)象。