下溝煤礦下分層留巷地勘技術(shù)

王海龍，計(jì) 平，苗 崢

(彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

0 引言

下溝煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)東南部，可采煤層4號(hào)煤為特厚煤層，全區(qū)煤層為單斜構(gòu)造，傾向北西，南部?jī)A而北部緩，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)類(lèi)型中等。404采區(qū)位于下溝井田西北部，該采區(qū)西部和北部為井田邊界，東部為401采區(qū)，南部為403采區(qū)。404采區(qū)工作面設(shè)計(jì)走向一般長(zhǎng)約1 800 m，傾斜一般180 m，由南至北依次為ZF4401、ZF4402、ZF4403、ZF4404工作面，回采方式采用綜合機(jī)械化放頂煤回采?；夭芍两褚呀?jīng)10 a左右，采空區(qū)頂板巖層已經(jīng)穩(wěn)定，ZF4402和ZF4403工作面煤層傾角3°～7°，屬近水平煤層，平均厚度11.5 m，屬特厚煤層，其回采過(guò)程中留設(shè)3～4 m底煤。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算，此部分煤炭資源依然比較豐富，具有較高的回采價(jià)值，基于此，礦井經(jīng)多方面研究制定采出方案及可行性報(bào)告，從404采區(qū)地質(zhì)條件、下分層留巷應(yīng)力分析、巷道掘進(jìn)期間地質(zhì)勘探技術(shù)應(yīng)用、成巷效果幾個(gè)方面進(jìn)行論述，對(duì)采空區(qū)下留設(shè)底煤的回采提供了理論與經(jīng)驗(yàn)借鑒，為礦井資源回收利用開(kāi)拓了新的思路方案。

1 采區(qū)地質(zhì)

下溝煤礦404采區(qū)位于下溝井田西北部，為北西傾斜的簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造，傾角3°～10°，構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬近水平煤層，平均厚度11.5 m，屬特厚煤層。區(qū)內(nèi)無(wú)超過(guò)2 m以上的大型斷層及褶皺構(gòu)造，煤層直接頂板多為黑灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖，屬軟弱巖層，穩(wěn)定性差，底板為灰色含鋁質(zhì)泥巖，屬軟弱巖層，遇水膨脹，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象。采區(qū)瓦斯涌出量隨采動(dòng)影響釋放減小，4402措施巷掘進(jìn)期間瓦斯涌量一般為0.1%～0.5%；采區(qū)涌水量經(jīng)過(guò)回采期間實(shí)際數(shù)據(jù)得知，涌水量較小，為簡(jiǎn)單型，目前封閉區(qū)內(nèi)涌水量一般為50 m3/d。煤層埋深400～550 m，整體具有弱沖擊危險(xiǎn)性，局部為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，因此要加強(qiáng)沖擊地壓管理工作。根據(jù)以往資料查證計(jì)算404采區(qū)4號(hào)煤層剩余總儲(chǔ)量估計(jì)為1 010.2萬(wàn)t。404采區(qū)工作面布置如圖1所示。

2 下分層留巷應(yīng)力分析及煤柱確定

計(jì)劃在404采區(qū)施工勘探措施巷，主要用于ZF4402工作面和ZF4403工作面下分層底煤探查，位于ZF4402泄水巷與ZF4403回風(fēng)順槽之間，初步設(shè)計(jì)沿4號(hào)煤層底板布置。

隨著上區(qū)段工作面推進(jìn)范圍不斷增大，工作面基本頂發(fā)生“O-X”周期性破斷，在采出空間上方形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)?；卷斣趯?shí)體煤側(cè)為固支邊，在煤體側(cè)的斷裂線(xiàn)位于煤壁內(nèi)，形成以基本頂巖層為主的上覆巖體大結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 404采區(qū)工作面及巷道布置Fig.1 Layout of working face and roadway in 404 mining area

圖2 煤柱穩(wěn)定性分析Fig.2 Stability analysis of coal pillar

上覆基本頂破斷形成巖塊A、巖塊B和巖塊C，其中巖塊B在沿空巷道上方垮落形成弧形三角塊B，并以煤體之上的斷裂線(xiàn)為軸向下旋轉(zhuǎn)；在超前支承壓力和側(cè)向支承壓力疊加作用下，巖塊A下方的煤體、直接頂壓縮下沉，巖塊C下方的矸石壓縮下沉，巖塊B發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉，如圖3所示。

圖3 煤柱穩(wěn)定性力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of coal pillar stability

煤柱載荷主要受上覆巖層2類(lèi)結(jié)構(gòu)作用影響，一是低位巖層垮落帶及裂隙帶破斷覆巖產(chǎn)生的載荷，二是高位未破斷的彎曲下沉帶覆巖產(chǎn)生的載荷，如圖4所示。

圖4 煤柱穩(wěn)定性力學(xué)分析Fig.4 Mechanical analysis of coal pillar stability

煤柱內(nèi)部鉛直應(yīng)力計(jì)算公式

σz=

煤柱內(nèi)彈性核寬度計(jì)算公式

Le=

不同煤柱寬度塑性區(qū)分布見(jiàn)表1，不同煤柱寬度應(yīng)力及塑性區(qū)分布如圖5所示。

表1 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布

圖5 不同煤柱寬度應(yīng)力及塑性區(qū)分布Fig.5 Stress and plastic zone distribution of different coal pillar widths

由圖5可知，20 m煤柱靠近頂板位置發(fā)生明顯破碎，30 m、40 m和50 m煤柱彈性核部分完整性較好。隨著煤柱尺寸的增加，彈性核寬度逐漸增大，塑性區(qū)范圍基本保持在6 m左右。

ZF4402工作面與ZF4403工作面之間煤柱寬度為34.95 m，煤柱內(nèi)有ZF4402泄水巷，根據(jù)上述理論分析和數(shù)值模擬，35 m煤柱側(cè)6 m范圍左右塑性區(qū)，掘巷本身產(chǎn)生0.9 m左右塑性區(qū)，并據(jù)天地科技所做現(xiàn)場(chǎng)窺視工作“在區(qū)段煤柱未受采動(dòng)的實(shí)體煤側(cè)，由于掘巷造成的破碎帶深度為0.9 m；采空區(qū)側(cè)受一次采動(dòng)影響形成的破碎帶寬度為5.8 m”，ZF4402泄水巷與ZF4403回風(fēng)順槽之間煤柱寬度20.9 m，因此，根據(jù)煤柱穩(wěn)定性分析綜合分析建議4402措施巷寬3.6 m，距離ZF4403回風(fēng)順槽8.65 m(>6.7 m)，大于采空區(qū)一次破壞的5.8 m和ZF4402掘巷本身破壞的0.9 m的和，整體比較安全；距離ZF4402泄水巷8.65 m，大于ZF4402掘巷本身破壞的0.9m，整體比較安全，存在一定范圍的穩(wěn)定區(qū)域煤柱，有助于采空區(qū)漏風(fēng)、CO等有害氣體溢出的處理，如圖6所示。

3 巷道掘進(jìn)期間地質(zhì)勘探技術(shù)應(yīng)用

圖6 4402措施巷巷道布置Fig.6 Layout of 4402 measure roadway

4402措施巷設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 847 m，其中斜巷設(shè)計(jì)27.34 m×3.6 m×3.1 m(長(zhǎng)×寬×高) 。4402措施巷掘進(jìn)期間，礦井在科研院所理論研究及巷道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用瞬變電磁儀法和鉆探相結(jié)合的物探方法，提前對(duì)巷道掘進(jìn)前方地質(zhì)構(gòu)造及采空區(qū)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，取得較好的效果。

瞬變電磁儀探測(cè)主要是在巷道掘進(jìn)前方和上方及左、右?guī)讉€(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、形成曲線(xiàn)、結(jié)果異常方法，將巷道前方約100 m范圍內(nèi)異常體進(jìn)行探測(cè)。

鉆探法礦井采用的探放水鉆機(jī)從巷道掘進(jìn)方向的正前方和左右方進(jìn)行探測(cè)。設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度120 m，允許掘進(jìn)長(zhǎng)度80 m，鉆孔施工過(guò)程中，礦井地測(cè)科現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察鉆孔施工情況，對(duì)鉆桿鉆進(jìn)效果、出渣、出水等情況進(jìn)行記錄，同時(shí)安排通風(fēng)科技術(shù)人員對(duì)鉆孔內(nèi)有害氣體含量進(jìn)行測(cè)量，以確保掘進(jìn)巷道繼續(xù)掘進(jìn)的安全性。

4 巷道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及管控措施

4.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷處于已采工作面中部區(qū)域，充水水源主要為ZF4402和ZF4403工作面釆空區(qū)水，掘進(jìn)時(shí)通過(guò)斷層裂隙及釆動(dòng)裂隙滲入工作面，造成掘進(jìn)迎頭發(fā)生透水事故。404采區(qū)屬高瓦斯區(qū)需加強(qiáng)瓦斯管理，煤塵爆炸指數(shù)為45.27，有強(qiáng)爆性，煤炭自燃傾向性為Ⅱ類(lèi)，自燃煤層，由于404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷為窄煤柱掘進(jìn)巷道，釆空區(qū)內(nèi)可能有有害氣體涌出或產(chǎn)生采空區(qū)漏風(fēng)，引起采空區(qū)煤炭自然發(fā)火。404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷受采空區(qū)影響壓力大，掘進(jìn)實(shí)施過(guò)程中易發(fā)生沖擊地壓或頂板事故。404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷施工是沿4號(hào)煤層底板施工，錨網(wǎng)支護(hù)，巷道受采空區(qū)動(dòng)壓影響變形，支護(hù)狀況受破壞較大，容易產(chǎn)生支護(hù)失效現(xiàn)象。

4.2 管控措施

精心組織施工：404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷掘進(jìn)掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格采取“邊探邊掘，先探后掘”的施工方式，瓦斯檢査員、跟班隊(duì)長(zhǎng)、班長(zhǎng)需佩戴數(shù)字瓦斯監(jiān)測(cè)儀，每循環(huán)作業(yè)前共同檢査有害氣體濃度確認(rèn)安全后方可掘進(jìn)施工。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有害氣體超過(guò)規(guī)定或有透水征兆等問(wèn)題，及時(shí)停止工作、撤出人員，及時(shí)向礦調(diào)度室匯報(bào)。

完善排水系統(tǒng)：404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷掘進(jìn)施工前排水系統(tǒng)必須完善，排水管緊跟迎頭或距掘進(jìn)頭20 m范圍內(nèi)，確保排水泵安裝好與排水管相通可隨時(shí)使用，并配備備用水泵及相關(guān)排水管路維護(hù)工具材料。

邊掘邊噴：404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷在掘進(jìn)施工過(guò)程中為了防止采空區(qū)漏風(fēng)及采空區(qū)有毒有害氣體溢出，堅(jiān)持采用邊掘進(jìn)邊噴漿措施，噴漿工作不能滯后工作面迎頭40 m以上，如果滯后超過(guò)施工要求，則停止工作面掘進(jìn)，完成巷道噴漿進(jìn)度。

觀(guān)測(cè)頂板：404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷掘進(jìn)施工時(shí)加強(qiáng)頂板離層觀(guān)測(cè)并做好記錄，頂板離層儀50 m打設(shè)一組進(jìn)行觀(guān)測(cè)，在觀(guān)測(cè)過(guò)程中超過(guò)規(guī)定或發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)向生產(chǎn)科和礦分管領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，采取有效措施后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

及時(shí)支護(hù)：404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷加密錨索布置，按每排2根施工；堅(jiān)持敲幫問(wèn)頂制度，按標(biāo)準(zhǔn)要求使用臨時(shí)支護(hù)，及時(shí)進(jìn)行永久支護(hù)，禁止出現(xiàn)支護(hù)滯后及空頂作業(yè)現(xiàn)象。

預(yù)防沖擊地壓：404采區(qū)補(bǔ)充勘探措施巷掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行沖擊地壓防治管理工作，當(dāng)掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有沖擊地壓危險(xiǎn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)所有人員應(yīng)立即停止作業(yè)，撤出至巷道200 m以外的安全地點(diǎn)并匯報(bào)礦調(diào)度等候指令。待確定沖擊地壓解除后，方可恢復(fù)施工。

5 措施巷成巷效果

4402措施巷是一次較成功的探索，它在上覆采空區(qū)的情況下，煤柱間留巷掘巷，根據(jù)設(shè)計(jì)采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，利用錨網(wǎng)索支護(hù)，共計(jì)掘進(jìn)380 m，平均每天掘進(jìn)10 m，巷道成型較好，掘進(jìn)期間未發(fā)生瓦斯超高、巷道垮落、出水等現(xiàn)象。掘進(jìn)過(guò)程中，礦井采取頂板離層觀(guān)測(cè)、施工卸壓孔、巷道噴漿、向巷道兩側(cè)直角施工探放水孔等措施，均收到良好效果，數(shù)據(jù)或者測(cè)量顯示，未發(fā)現(xiàn)異常。

按照最初勘探巷道設(shè)計(jì)，此項(xiàng)工程未能最終完成，穿采空區(qū)工作面底板巷道掘錨勘探工程未能施工，不是項(xiàng)目設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用或者地質(zhì)構(gòu)造條件影響的原因，而是礦井采掘接續(xù)不允許嘗試新工藝。

6 結(jié)語(yǔ)

下溝煤礦404采區(qū)留設(shè)底煤的回收項(xiàng)目，是礦井在煤炭資源充分利用回收道路上的一次偉大的科技創(chuàng)新與嘗試，在404采區(qū)回采設(shè)計(jì)中并未考慮分層開(kāi)采，未采取分層開(kāi)采的系列措施，經(jīng)過(guò)商議并與科研院所合作設(shè)計(jì)出該采區(qū)的勘探方案，對(duì)下分層煤炭資源回收有著承上啟下的作用，4402措施巷掘進(jìn)采用各種物探手段，采用多種災(zāi)害預(yù)防治理措施，在巷道壓力大，各類(lèi)地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，精心組織合理安排，成巷近400 m，掘進(jìn)煤量5 000 t，為今后下溝煤礦后期實(shí)施下分層煤炭資源再回收積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用煤炭資源及可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。