西曲礦8號(hào)煤黃泥帶賦存規(guī)律及安全開采技術(shù)

郭啟琛

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦， 山西 古交 030200)

太原西山煤田是我國最重要的焦煤生產(chǎn)基地之一，其下組煤8號(hào)煤頂板石灰?guī)r，即L1廟溝灰?guī)r是典型的淺海潟湖相沉積，該層灰?guī)r厚度穩(wěn)定，質(zhì)地堅(jiān)硬，使得8號(hào)煤在回采中便于支護(hù)，但在西山煤田西曲礦8號(hào)煤的回采過程中，工作面卻多次揭露煤層黃泥帶，黃泥帶的存在使得原本堅(jiān)硬的頂板逐漸過渡成泥狀粘土，造成工作面空頂現(xiàn)象，支護(hù)及回采困難，對(duì)于井下安全造成極大的威脅[1]. 目前，對(duì)于煤層頂板黃泥帶的成因有初步的研究，如寧武煤田也存在煤層頂板灰?guī)r逐漸變薄變軟甚至缺失的現(xiàn)象，郝甲飛、張國英認(rèn)為其發(fā)育形態(tài)更趨近于煤層風(fēng)氧化帶，主要受到基巖厚度、沉積環(huán)境和構(gòu)造等因素影響，并通過數(shù)值模擬的手段對(duì)黃泥帶下的應(yīng)力場進(jìn)行了分析，提出了注漿加固快速通過的方案[2-3]；楊高峰針對(duì)西山礦區(qū)黃泥帶的地質(zhì)特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，認(rèn)為黃泥帶的形成原因是構(gòu)造發(fā)育區(qū)地表水入滲至碳酸鹽巖溶蝕導(dǎo)致[4]. 上述研究對(duì)于黃泥帶的根本形成原因及發(fā)育規(guī)律卻沒有結(jié)合區(qū)域沉積環(huán)境以及分布規(guī)律綜合分析。因此，本文以西山礦區(qū)西曲礦為例對(duì)8號(hào)煤頂板黃泥帶的特征及成因從區(qū)域地質(zhì)沉積環(huán)境上進(jìn)行分析，并總結(jié)了黃泥帶在盤區(qū)的發(fā)育規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

西曲井田位于太原西山煤田北緣，井田面積34.315 2 km2，地形東北高西南低，井田東部礬石溝自北向南從地表穿過，平均蓋山約230 m. 礦井分+983 m和+1 072 m兩個(gè)水平、南和北兩個(gè)翼生產(chǎn)，其中南翼8個(gè)盤區(qū)，北翼5個(gè)盤區(qū)。井田內(nèi)地層自老到新出露的有古生界石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組及新生界第三系、第四系(圖1).

圖1 西曲礦太原組煤系地層綜合柱狀圖

西曲礦北三盤區(qū)位于西曲井田東北部，但與井田內(nèi)其他盤區(qū)不同，該盤區(qū)8號(hào)煤頂板石灰?guī)r普遍裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)，同時(shí)頂板變軟發(fā)黃，整體性差，不易支護(hù)，風(fēng)化嚴(yán)重的地方頂板及煤層相變?yōu)辄S色的泥狀黏土，頂板硬度完全消失。如西曲礦 28308正巷沿8號(hào)煤掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面形狀為寬4.5 m，高3.5 m的矩形斷面，施工至地測9#點(diǎn)前56.8 m處時(shí)頂板由黑色灰?guī)r逐漸相變?yōu)辄S色泥巖，繼續(xù)掘進(jìn)2 m后，頂板完全風(fēng)化為黃泥，并向下發(fā)育至煤層中，使煤層失去光澤，變?yōu)楹谀酄睢ＴO(shè)計(jì)的鐵棚加錨桿的聯(lián)合支護(hù)方式由于頂板裂隙帶處黃泥的存在，打設(shè)頂錨桿時(shí)，對(duì)圍巖的控制效果差，兩幫出現(xiàn)片幫，底板下陷，影響施工效率，增加了掘進(jìn)期間的支護(hù)時(shí)間和成本，無法繼續(xù)正常掘進(jìn)。目前，北三盤區(qū)已揭露的最大的黃泥帶在28406工作面中部，面積約3 360 m2.

2 黃泥帶成因分析及賦存規(guī)律

2.1 下組煤黃泥帶特征

北三盤區(qū)8號(hào)煤層已回采完畢5個(gè)工作面：28406工作面(2012—2013年)、28302工作面(2015—2016年)、28307工作面(2017年)、28301工作面(2018年)和28308工作面(2019年)。5個(gè)工作面均不同程度地受到煤層黃泥帶的影響。截止目前，盤區(qū)內(nèi)完全揭露的黃泥帶有11處，掘進(jìn)巷道揭露12處(見表1).

表1 北三盤區(qū)揭露黃泥帶面積統(tǒng)計(jì)表

8號(hào)煤黃泥帶對(duì)工作面的掘進(jìn)和安全回采影響極大，其影響范圍與陷落柱在工作面內(nèi)影響范圍的情形相近，整體在平面上呈橢圓形，揭露前也存在煤層垮落、變質(zhì)、失去光澤等現(xiàn)象。但不同于陷落柱發(fā)育的一般規(guī)律，井下揭露的黃泥帶特征可以概括為以下幾點(diǎn)：

1) 黃泥帶發(fā)育的地方在上覆及下伏煤層的開采中并無異?，F(xiàn)象，其賦存情況不可以單純的依靠陷落柱的上下層位推理進(jìn)行預(yù)測，工作面揭露往往是無計(jì)劃的。

2) 陷落柱揭露前，頂?shù)装迤扑椋严对龆?，但不存在相變?yōu)槠渌麕r性的情況，而黃泥帶揭露前，往往隨著工作面的推進(jìn)，煤層以及頂板逐漸變?yōu)槟酄铕ね?，造成該區(qū)域頂板缺失，隨著工作面推進(jìn)，再由風(fēng)化黃泥帶漸變?yōu)檎Ｃ簩蛹绊敯?圖2).

圖2 北三盤區(qū)8號(hào)煤黃泥帶揭露前頂板巖性變化圖

3) 黃泥帶在揭露前往往工作面煤層向下形成較明顯的向斜褶曲，頂板發(fā)黃變軟，頂板及黃泥帶往往潮濕含水，水質(zhì)分析顯示其為SO4·HCO3-Ca·Mg型，水質(zhì)清澈，礦化度中等，與石灰?guī)r內(nèi)的巖溶裂隙水成分相近。

4) 黃泥帶揭露的區(qū)域，頂板以及黃泥帶中的巖石軟且破碎，往往含有大量的生物化石，以腹足類、瓣塞類為主，個(gè)體較小，殼體薄，雖呈聚集的群落出現(xiàn)但種屬較為單調(diào)(圖3).

圖3 北三盤區(qū)各工作面黃泥帶區(qū)域頂板生物化石群圖

2.2 沉積成因分析

西山地區(qū)晚石炭世-早二疊世太原組C3t沉積期以障壁島-潟湖-潮坪的障壁海岸沉積體系為主，其次發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地相和沼澤相[5]. 西曲井田內(nèi)太原組普遍沉積有3層石灰?guī)r，分別為L1、K2和L4灰?guī)r，表現(xiàn)為典型的碳酸鹽沉積；巖性沉積以灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖等為主，說明其當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境是低能的；不同于本區(qū)其他段地層，其沉積有較厚的8號(hào)、9號(hào)煤層，證明其是一種海相沉積逐漸到陸相沉積過渡的體系，位于濱海平原區(qū)，并且當(dāng)時(shí)的氣候條件易于植物的繁殖和沼澤化，形成了沼澤化的潟湖，因此研究黃泥帶的重點(diǎn)是分析清楚沼澤化潟湖的沉積環(huán)境。

潟湖是為海岸所限制、被障壁島所遮攔的淺水盆地，它以潮道與廣海相通或與廣海呈半隔絕狀態(tài)。潟湖中波瀾作用較弱，其環(huán)境相應(yīng)的變得安靜、低能，沉積物以細(xì)粒陸源物質(zhì)和化學(xué)沉積物質(zhì)為主，當(dāng)潟湖底部有H2S存在時(shí)，往往出現(xiàn)生物群絕跡[6].

結(jié)合西曲井田北三盤區(qū)介于海陸過渡相沉積環(huán)境，煤層含硫度較高，并且黃泥帶中大量聚集的化石沉積等因素綜合分析，初步分析黃泥帶形成的原因是：盤區(qū)當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境為海陸過渡的沼澤化潟湖，潟湖中潮道發(fā)育，形成低洼含水區(qū)域，古代生物也都普遍聚集在潮道低洼區(qū)內(nèi)，強(qiáng)流水和生物作用將原本沉積完好的地層破壞成黃泥狀，同時(shí)由于沉積區(qū)整體海進(jìn)，后期形成還原環(huán)境強(qiáng)的淡化潟湖沉積相，低洼段整體出現(xiàn)生物群絕跡[7].

2.3 賦存規(guī)律分析

井下黃泥帶的發(fā)育對(duì)工作面的回采影響極大，科學(xué)地預(yù)測北三盤區(qū)黃泥帶的分布并針對(duì)性地提出合理的勘查技術(shù)方案是解決北三盤區(qū)工作面布置，礦井安全有序生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。分析可知，黃泥帶的成因是潮道中強(qiáng)流水和生物聚集的風(fēng)化作用導(dǎo)致的，因此需要分析清楚當(dāng)時(shí)潮道的發(fā)育形態(tài)。

根據(jù)目前盤區(qū)已回采完的5個(gè)工作面及巷道掘進(jìn)期間揭露的黃泥帶分布可以看出，北三盤區(qū)黃泥帶整體呈帶狀分布，為下一步預(yù)測黃泥帶可能出現(xiàn)的區(qū)域提供了良好的途徑。西曲礦北三盤區(qū)黃泥帶預(yù)測圖見圖4.

由圖4可知，28302、28301、28406、28307和28306工作面揭露的黃泥帶位于1號(hào)帶，28406工作面本身揭露的黃泥帶和28309工作面揭露的黃泥帶構(gòu)成2號(hào)帶，28308、28307和28306工作面揭露的黃泥帶位于3號(hào)帶，位于黃泥帶范圍交匯處的黃泥帶面積最大，并且周圍黃泥帶分布也多，構(gòu)成條帶的交點(diǎn)，對(duì)工作面的影響最大，如4號(hào)黃泥帶和預(yù)測的5號(hào)、7號(hào)、10號(hào)黃泥帶。通過將已經(jīng)揭露的黃泥帶進(jìn)行綜合分析，預(yù)測28310工作面不會(huì)受到這類黃泥帶的影響，但接下來將要生產(chǎn)的28309工作面將主要受到2號(hào)帶的影響，28306以及未來布置的28305工作面將主要受到1號(hào)和3號(hào)帶的影響，需要對(duì)這些可能受影響的地區(qū)進(jìn)行綜合探測。

3 黃泥帶下煤層安全開采關(guān)鍵技術(shù)

以泥質(zhì)類巖層為主的軟弱頂板或基巖風(fēng)氧化帶巖層發(fā)育的頂板普遍強(qiáng)度低，塑形強(qiáng)，易于崩解、泥化，這些頂板在地質(zhì)上的成因雖然與西曲礦黃泥帶成因有區(qū)別，但在回采過程中面臨的生產(chǎn)問題卻大致相同[8-9]. 8號(hào)煤層頂板黃泥帶會(huì)造成頂板產(chǎn)生非均衡性破壞和局部抽冒，由于黃泥帶潮濕富水，使得工作面回采期間支護(hù)和運(yùn)輸都非常困難。目前，我國針對(duì)軟弱頂板下采煤采取的措施主要有留設(shè)煤巖柱或超前預(yù)注漿優(yōu)化頂板支護(hù)方式兩種方法[10-11]. 西曲礦黃泥帶的產(chǎn)生往往是頂板的突然相變，平面形狀近似橢圓，為減少煤炭資源的浪費(fèi)，保證黃泥帶內(nèi)煤層安全開采，針對(duì)該礦黃泥帶下回采提出新的保障技術(shù)[12].

圖4 西曲礦北三盤區(qū)黃泥帶預(yù)測圖

3.1 超前探測，護(hù)-讓結(jié)合，縮小煤柱留設(shè)范圍

由圖4可知，西曲礦黃泥帶平面上往往成橢圓狀，并且其揭露只在幾條特定的條帶上，因此可以結(jié)合黃泥帶的分布規(guī)律，利用周邊巷道提前進(jìn)行探測，在巷道設(shè)計(jì)之初提前規(guī)避黃泥帶，盡量將黃泥帶圈在工作面之外；若無法避免黃泥帶在工作面回采中的揭露，可以采用補(bǔ)巷、繞道等方式對(duì)黃泥帶進(jìn)行規(guī)避。西曲礦28309工作面在掘進(jìn)前，利用東側(cè)28308工作面正巷提前對(duì)28309工作面可能發(fā)育黃泥帶的區(qū)域進(jìn)行超前探測，圈定了28309工作面黃泥帶的范圍，并通過掘進(jìn)28309工作面外切眼的方式，縮小了工作面北側(cè)煤柱留設(shè)的范圍約6 800 m2，并結(jié)合工作面煤厚及頂?shù)装鍘r性，提前選用了強(qiáng)初撐、高阻力的ZY5600型支架，采用超前移架、帶壓前移等措施，加快工作面推進(jìn)速度。

3.2 結(jié)合物探預(yù)測超前預(yù)注漿，優(yōu)化支護(hù)方式

結(jié)合盤區(qū)水文地質(zhì)條件，在北三盤區(qū)工作面形成以后，均采用無線電坑透儀進(jìn)行CT透視，結(jié)合探測到的地質(zhì)弱面部位，重點(diǎn)對(duì)預(yù)測黃泥帶發(fā)育范圍內(nèi)的破碎煤巖體進(jìn)行注漿加固。西曲礦在28306工作面形成后進(jìn)行無線電坑透，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)與1號(hào)預(yù)測帶重疊，因此重點(diǎn)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行探測，并成功探測到預(yù)測4號(hào)黃泥帶和預(yù)測5號(hào)黃泥帶的范圍，預(yù)計(jì)其面積約2 160 m2. 礦井根據(jù)探測成果及時(shí)修改工作面設(shè)計(jì)，補(bǔ)充施工黃泥帶繞道及外切眼，使用固安特化學(xué)注漿加固頂板，并縮小巷道棚距至0.6 m，用工字鋼搭接硬化底板，于巷道中間每兩架棚子打設(shè)一根點(diǎn)柱，使工作面未來回采可以順利規(guī)避黃泥帶，減少了黃泥帶對(duì)28306工作面今后回采的影響，延長了工作面回采長度。

4 結(jié) 論

1) 通過對(duì)西曲礦黃泥帶發(fā)育沉積的特征進(jìn)行分析，結(jié)合西山煤田沉積環(huán)境為典型的海相低能碳酸鹽沉積環(huán)境，預(yù)測北三盤區(qū)黃泥帶形成原因是沼澤化潟湖中潮道形成的低洼含水區(qū)域強(qiáng)流水和生物作用共同導(dǎo)致的。

2) 井下揭露的黃泥帶整體呈帶狀分布，綜合分析，預(yù)測接下來將要生產(chǎn)的28309工作面主要受到2號(hào)帶的影響，28306以及未來布置的28305工作面主要受到1號(hào)和3號(hào)帶的影響。

3) 通過采用超前探測、護(hù)-讓結(jié)合、縮小煤柱留設(shè)范圍、超前預(yù)注漿及優(yōu)化支護(hù)方式等方法，西曲礦實(shí)現(xiàn)了黃泥帶內(nèi)煤層的安全掘進(jìn)和回采。