煤巷掘進(jìn)過(guò)斷層工程實(shí)踐與探索

朱亞飛 趙 波

（1.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南煤科院檢測(cè)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷延伸，地質(zhì)條件漸趨復(fù)雜，在煤巷快速掘進(jìn)的過(guò)程中多次受到斷層等地質(zhì)構(gòu)造的影響[1-4]。巷道掘進(jìn)進(jìn)程中地質(zhì)資料的收集能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)過(guò)斷層方案的制定提供指導(dǎo)，保證礦井安全生產(chǎn)[5]。目前，煤巷掘進(jìn)收集地質(zhì)資料主要采用物探法和超前探孔法[6]。超前探孔法是在煤巷掘進(jìn)工作面沿煤層施工鉆孔，根據(jù)孔內(nèi)鉆屑含量了解工作面前方地質(zhì)情況。以陳四樓煤礦21408 軌道順槽掘進(jìn)期間遇到的DNF64 斷層為例，進(jìn)行了超前探孔法在煤巷掘進(jìn)過(guò)斷層實(shí)踐中的探索和應(yīng)用。

1 工作面概況

21408 工作面位于陳四樓煤礦十四采區(qū)，21408軌道順槽沿實(shí)體煤掘進(jìn)，主采二2 煤層，厚度變化不大，平均2.68 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層。根據(jù)三維地震勘探資料及相鄰巷道實(shí)際揭露情況分析，21408 軌道順槽整體為一單斜構(gòu)造，煤層傾角為6°～14°，平均10°，地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。21408軌道順槽掘進(jìn)鄰近DNF64 斷層，預(yù)計(jì)該斷層伴生的小斷層對(duì)掘進(jìn)有一定影響。21408 軌道順槽先以方位角為136°施工71 m 后，再以方位角為162°施工727 m。21408 軌道順槽與DNF64 逆斷層相對(duì)位置如圖1。

圖1 21408 軌道順槽巷道方位示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐

2.1 DNF64 斷層的初次揭露

21408 軌道順槽以方位角為136°掘進(jìn)，在167 m 處巷道左幫出現(xiàn)巖石，在176.1 m 處巷道右?guī)统霈F(xiàn)巖石。為探測(cè)斷層的具體位置以及對(duì)巷道掘進(jìn)的影響，在173 m 和176.2 m 迎頭處布置2個(gè)超前探孔（探孔參數(shù)見(jiàn)表1）。鉆孔采用MQS-50/1.7 型氣動(dòng)手持式幫錨桿鉆機(jī)、B19 六方鉆桿和Ф28 mm 鉆頭。

表1 第1 組探孔參數(shù)表

1-1 探孔和1-2 探孔結(jié)果顯示全煤，不能確定斷層另一盤(pán)煤層的位置，巷道繼續(xù)以方位角為136°沿煤層掘進(jìn)。繼續(xù)掘進(jìn)至177.5 m 處，迎頭左幫出現(xiàn)1.7 m 巖石，右?guī)统霈F(xiàn)0.4 m 巖石。至187.5 m 處，迎頭左幫全巖，右?guī)统霈F(xiàn)0.95 m 巖石。在此范圍內(nèi)布置探孔，了解斷層附近區(qū)域地質(zhì)情況，預(yù)測(cè)斷層的上、下盤(pán)煤層位置。探孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 第2 組探孔參數(shù)表

2-1 探孔顯示全巖；2-2 探孔顯示8.8 m 見(jiàn)煤，9.3 m 又見(jiàn)巖石；2-3 探孔顯示9.2 m 見(jiàn)煤；2-4 探孔顯示全巖。

根據(jù)第2 組探孔探測(cè)結(jié)果顯示煤層在巷道上方，可判斷此斷層為逆斷層，揭露部分落差為9～10 m。上、下盤(pán)煤層相對(duì)位置如圖2。

圖2 初次揭露DNF64 斷層預(yù)想剖面示意圖（m）

2.2 DNF64 斷層對(duì)巷道方位角變化設(shè)計(jì)方案的影響

考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，DNF64 斷層位于十四采區(qū)邊界，21408 軌道順槽巷道方位角即將發(fā)生變化，為減輕DNF64 斷層對(duì)巷道現(xiàn)場(chǎng)施工的影響，在187.5 m 迎頭范圍內(nèi)布置探孔，了解巷道迎頭附近地質(zhì)情況，優(yōu)化巷道方位角變化設(shè)計(jì)方案。探孔布置位置示意圖如圖3，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 21408 軌道順槽187.5 m 處迎頭探孔布置示意圖

表3 第3 組探孔參數(shù)表

3-1 探孔、3-3 探孔、3-4 探孔顯示眼底全巖；3-2探孔、3-5 探孔、3-6 探孔、3-7 探孔顯示全煤。

根據(jù)3-1 探孔、3-2 探孔、3-3 探孔、3-4 探孔探測(cè)結(jié)果分析：若繼續(xù)以方位角136°向前掘進(jìn)并按照原設(shè)計(jì)在188.5 m 處變化方位角，巷道將以半煤巖巷或巖巷掘進(jìn)，增加現(xiàn)場(chǎng)工作量，且斷層與巷道之間沒(méi)有留設(shè)保護(hù)煤柱，可能會(huì)造成巷道頂幫破碎，不利于巷道支護(hù)和維護(hù)管理。

根據(jù)3-2 探孔探測(cè)結(jié)果分析：若巷道方位角向右偏轉(zhuǎn)30°，即以方位角166°沿煤層（煤層傾角4°）施工，巷道將在迎頭前方10 m 范圍內(nèi)繼續(xù)在下盤(pán)煤層中掘進(jìn)。

根據(jù)3-4 探孔、3-5 探孔、3-6 探孔、3-7 探孔探測(cè)結(jié)果分析：若巷道方位角向右偏轉(zhuǎn)26°，即以方位角162°沿煤層施工，巷道將在迎頭前方22 m再次揭露斷層；而以方位角162°、2°上山施工，巷道將在迎頭前方30 m 范圍內(nèi)繼續(xù)在下盤(pán)煤層中掘進(jìn)，但隨著巷道的延伸，巷道會(huì)出現(xiàn)“拉底”的現(xiàn)象，加大現(xiàn)場(chǎng)工程施工難度。

根據(jù)以上分析結(jié)果，考慮DNF64 斷層保護(hù)煤柱約10 m 范圍，巷道能夠保證沿煤層掘進(jìn)，對(duì)巷道方位角變化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。方案如下：自21408 軌道順槽187.5 m 處后退11.4 m 開(kāi)口，在巷道173 m 處以方位角162°沿煤層掘進(jìn)施工。

巷道支護(hù)方案為：方位角變化后，巷道前10 m斷面設(shè)計(jì)凈寬×凈高=4800 mm×2600 mm，10 m以后斷面設(shè)計(jì)凈寬×凈高=4000 mm×2600 mm，排距為800 mm。巷道支護(hù)采用“錨網(wǎng)索”支護(hù)，頂板采用“M”鋼帶（4 m）和Φ20 mm×2200 mm高強(qiáng)錨桿，錨索為10.3 m 長(zhǎng)，至頂板打錨索孔不見(jiàn)煤后改為6.3 m 長(zhǎng)錨索，兩幫采用Φ18 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×800 mm。巷道方位角變化處由于空頂面積較大，根據(jù)頂板離層情況打點(diǎn)柱，保證現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)安全。

2.3 DNF64 斷層的再次揭露

21408 軌道順槽以方位角162°繼續(xù)掘進(jìn)，至416.2 m（巷道方位角變化前的173～187.5 m 不計(jì)入巷道總長(zhǎng)度）處打錨索孔時(shí)上部見(jiàn)煤。為了解斷層附近的地質(zhì)情況，布置探孔探測(cè)上盤(pán)煤層位置并制定過(guò)斷層方案。探孔參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 第4 組探孔參數(shù)表

由表4 可知：

（1）4-1 探孔顯示2.7 m 見(jiàn)煤，4.2 m 又見(jiàn)巖石；4-2 探孔顯示眼底全煤；

（2）4-3 探孔顯示0.8 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；4-4探孔顯示2 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；

（3）4-5 探孔顯示0.6 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；4-6探孔顯示2 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；

（4）4-7 探孔顯示0.5 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；4-8探孔顯示2 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；

（5）4-9 探孔顯示0.8 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；4-10探孔顯示2 m 見(jiàn)煤，4 m 見(jiàn)巖石；

（6）4-11 探孔顯示眼底見(jiàn)巖；4-12 探孔顯示眼底見(jiàn)巖。

根據(jù)4-1 探孔、4-2 探孔、4-3 探孔、4-5 探孔、4-7 探孔、4-9 探孔探測(cè)結(jié)果，可以推斷目前揭露斷層為逆斷層，上、下盤(pán)煤層相對(duì)位置如圖4。根據(jù)4-4探孔、4-6 探孔、4-8 探孔、4-10 探孔探測(cè)結(jié)果，可以推斷此斷層揭露部分從巷道左幫向右?guī)桶l(fā)育，上盤(pán)煤層在巷道上部從左幫向右?guī)椭饾u變厚。

圖4 DNF64 斷層再次揭露預(yù)想剖面示意圖（m）

2.4 過(guò)斷層方案

根據(jù)以上推斷煤層相對(duì)位置以及4-11 探孔和4-12 探孔探測(cè)結(jié)果，制定煤巷掘進(jìn)過(guò)DNF46 斷層方案。具體方案為：在巷道437 m 處迎頭以10°上山留底煤掘進(jìn)施工，揭露上盤(pán)煤層底板后，巷道以16°上山托頂煤施工，直至進(jìn)入全煤，共計(jì)全巖5 m，半煤巖19 m。過(guò)斷層方案預(yù)想剖面示意圖如圖5。

圖5 過(guò)DNF64 斷層方案預(yù)想剖面示意圖（m）

支護(hù)方案：巷道過(guò)斷層期間，頂板托頂煤施工時(shí)，采用Φ20 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+雙抗網(wǎng)+M 鋼帶（4 m）支護(hù)；兩幫采用Φ18 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿+金屬平網(wǎng)+木托盤(pán)支護(hù)，錨桿間排距為800 mm×700 mm。當(dāng)頂錨桿錨固在煤層中時(shí)，鋼帶第2、5 個(gè)眼孔布置錨索加固，錨索直徑為Φ18.9 mm，長(zhǎng)度為6.3 m。巷道采用雙排錨索梁加固，錨索間排距為1300 mm×1500 mm，錨索梁為12#槽鋼加工，長(zhǎng)度3 m，一梁三索，錨索直徑為Φ18.9 mm，長(zhǎng)度為6.3 m。

3 結(jié)論

根據(jù)三維地震勘探資料及相鄰巷道實(shí)際揭露情況分析，21408 軌道順槽掘進(jìn)受到DNF64 逆斷層影響。在掘進(jìn)過(guò)程中，前后兩次揭露DNF64 逆斷層，通過(guò)在巷道內(nèi)布置探孔預(yù)判斷上、下盤(pán)煤層相對(duì)位置。以此為依據(jù)和指導(dǎo)，在初次揭露斷層時(shí)優(yōu)化巷道方位角變化設(shè)計(jì)方案，再次揭露斷層時(shí)制定過(guò)斷層方案，保證煤巷正常掘進(jìn)，為以后煤巷快速掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)類似問(wèn)題提供經(jīng)驗(yàn)。