孟村煤礦中央帶式輸送機大巷層位調整技術實踐

馮俊超，宇文琦

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

近年來，隨著礦井開采深度加深、強度加大，我國快速涌現出一批沖擊地壓礦井，尤其是陜西彬長礦區和內蒙古鄂爾多斯深部礦區，雖然開采歷史不長，但沖擊地壓災害已成為影響它們安全生產的最大災害。其中有些礦井由于設計理念落后，很多開采深度大于500 m的礦井在設計時沒有考慮沖擊地壓問題，從而使得開拓部署不夠合理、大巷布置在沖擊地壓煤層中，這也是導致近年來一些深部開采礦井及新建礦井接連發生沖擊地壓災害的一個主要原因[1-12]。孟村煤礦就是典型的由于開拓部署不合理、中央大巷布置在沖擊地壓煤層中而導致了若干次沖擊地壓災害，尤其自發生5·24沖擊地壓重大涉險事故以后，孟村煤礦決定對中央大巷進行層位調整。研究孟村煤礦中央大巷層位調整技術對礦井防災治災和安全高效生產意義深遠，選取具有代表性的中央帶式輸送機大巷層位調整為對象展開研究。

1 孟村煤礦中央大巷布置工程概況

孟村煤礦井田位于彬長礦區中西部，設計能力6 Mt/a，井田東西長10.6 km，南北寬8.3 km，面積約63.6 km2。井田內4號煤層為單一可采煤層，煤層構造簡單。煤層全厚3.7～26.3 m，平均厚度16.25 m。孟村煤礦主、副井位于井田東部邊界，與胡家河煤礦為同一工業場地，孟村煤礦主、副井筒落底后，從井底車場向西沿井田中央布置一組東西向的中央大巷，盤區沿中央大巷兩翼布置，中央大巷采用5巷布置，設有2條輔助運輸大巷、1條帶式輸送機大巷和2條回風大巷。

根據《孟村礦井沖擊傾向性鑒定及沖擊地壓危險性評價研究報告》鑒定結果，4號煤層為沖擊地壓煤層，礦井為沖擊地壓礦井，本井田開采的4號煤層沖擊傾向性等級為強，煤層底板無沖擊，頂板為弱沖擊。目前，5條中央大巷均已施工403盤區大巷位置，各條中央大巷均沿煤層平行布置，水平間距為40 m，斷面均采用直墻半圓拱形，其中，中央輔助運輸大巷和中央帶式輸送機大巷斷面凈寬為5.4 m，凈墻高1.6 m，凈斷面積為20.1 m2；中央回風大巷凈寬6.0 m，凈墻高1.6 m，凈斷面積為23.7 m2。5條大巷采用“錨網噴+錨索”支護。根據《煤礦安全規程》(2016年版)“開拓巷道不得布置在有嚴重沖擊地壓煤層中”，但孟村煤礦中央大巷不僅布置在嚴重沖擊地壓煤層中，且布置范圍內賦存有DF29大斷層，其延展長度約3 km，落差0～38 m，DF29斷層對中央大巷產生了嚴重影響，自2015年有數據統計以來中央大巷累計發生7次能級在105J以上的沖擊地壓現象，沖擊破壞區域主要聚集在DF29斷層附近，中央大巷陷入“沖擊破壞—巷修—沖擊破壞”的僵局。

孟村煤礦中央大巷平面布置示意如圖1所示。

圖1 孟村煤礦中央大巷平面布置Fig.1 Plane layout of central roadway in Mengcun Coal Mine

2 孟村煤礦中央大巷沖擊地壓特征

自有數據記錄以來，孟村煤礦中央大巷共發生7次能級在105J以上的沖擊地壓現象，見表1，沖擊地壓位置主要集中在中央大巷遇DF29斷層附近，其中變形最嚴重的是中央帶式輸送機大巷，其次是2條中央輔助運輸大巷，最輕的是2條中央回風大巷。沖擊地壓顯現特征主要有巷道底鼓、幫鼓、噴漿層漿皮脫落、原支護失效、設備位移、圍巖開裂等。

表1 孟村煤礦中央大巷發生較大沖擊地壓顯現情況統計

3 孟村煤礦中央帶式輸送機大巷層位調整技術

3.1 層位調整技術分析

從防沖角度分析，4號煤層底板屬于無沖擊地層，4號煤層頂板屬于弱沖擊地層，后續大巷沿底板巖石布置有利于降低巷道沖擊危險性。從防治水角度分析，后續中央大巷沿煤層底板布置，一定程度上有利于后期水害防治工作開展，但鑒于后期各盤區基本上均為下山盤區，盤區涌水無法自流至中央大巷，無論沿煤層頂板還是底板布置中央大巷都需設置盤區排水系統。因此，防治水對大巷層位選擇影響不大。從圍巖控制角度分析，本井田直接底板為鋁土質泥巖、砂泥巖及碳質泥巖等穩定性較差巖體，屬軟弱巖層，遇水膨脹，巷道底鼓嚴重，其中鋁質泥巖直接底厚度2～9 m，碳質泥巖偽底厚度一般1 m。根據本礦井以及鄰近煤礦揭露煤層底板條件看，底板條件極差，極易垮塌、底鼓嚴重，不適宜布置巷道。結合國內礦井軟巖支護情況，中央大巷若沿底板巖石布置，需采取“錨網噴+鋼筋混凝土砌碹+反底拱”支護，施工難度大、安全條件差、掘進成本較高、維護困難。4號煤層直接頂上部基本頂為中等易冒落半堅硬中、細粒砂巖，厚度可達10余米，大巷布置于頂板巖石中較為有利。

綜合以上因素，雖然4號煤層底板無沖擊，大巷沿底板巖石布置對防治沖擊地壓較為有利，但底板巖性較差，為有膨脹性的鋁土質泥巖、砂泥巖及碳質泥巖，支護困難，施工難度大，安全條件差。相反4號煤層基本頂為中等易冒落半堅硬中、細粒砂巖，厚度大，大巷布置于頂板巖石中較為有利。雖然其屬于弱沖擊頂板，但在施工過程中在做好礦壓監測并采取卸壓措施可進一步降低沖擊地壓的危險概率，確保安全。因此，設計將后續中央帶式輸送機大巷層位調整段布置于煤層頂板巖石(基本頂)中，巷道底板距煤層頂板約0～45 m。根據孟村煤礦中央帶式輸送機大巷目前布置及變形程度，經研究需將DF29斷層影響范圍的區段進行層位調整，并將原巷道進行充填或重新加固。

3.2 施工方案

中央帶式輸送機大巷層位調整施工方案如圖2和圖3所示。

圖2 中央帶式輸送機大巷層位調整平面Fig.2 Horizon adjustment plane of central belt conveyor roadway

圖3 中央帶式輸送機大巷層位調整剖面Fig.3 Horizon adjustment section of central belt conveyor roadway

①首先掘進2號充填措施巷，自中央一號輔助運輸大巷1 080 m處開口，貫通中央帶式輸送機大巷。2號充填措施巷貫通后，充填中央帶式輸送機大巷層位調整段(東段)開口處至2號充填措施巷貫通點。②充填完成后，中央帶式輸送機大巷層位調整段(東段)按+7°上坡開口掘進，掘進77 m后拐彎掘進1號通風聯絡巷，貫通中央二號回風大巷，形成獨立通風系統。之后自1號通風聯絡巷岔口處，繼續掘進中央帶式輸送機大巷層位調整段(東段)。③1號通風聯絡巷貫通后，同時開始掘進4號充填措施巷，自中央二號輔助運輸大巷1 780 m處開口，貫通中央帶式輸送機大巷。④4號充填措施巷貫通后，充填中央帶式輸送機大巷層位調整段(西段)開口處至4號措施巷貫通點。⑤充填完成后，中央帶式輸送機大巷層位調整段(西段)按+6°上坡開口掘進，巷道貫通剩余150 m時停止東段巷道掘進，由西向東掘進至貫通。⑥中央帶式輸送機大巷從2號充填措施巷至4號充填措施巷段僅留作通風巷道使用，后期根據需要填充處理。

3.3 巷道充填方案

中央帶式輸送機大巷充填東段：充填段共80 m，在距2號充填措施3 m處建一道2 m厚水泥預制塊墻(1號密閉墻)，80 m處建一道2 m厚水泥預制塊墻(2號密閉墻)，兩墻之間用矸石充填，矸石頂部空隙用水泥混凝土充填；2 m厚的水泥預制塊墻四周均需掏槽，掏槽至硬幫、硬底，掏槽深部均不小于0.5 m。矸石填充完畢后，再利用1號密閉墻預留的注漿管進行注水泥砂漿充填。

中央帶式輸送機大巷充填西段：充填段共70 m，在距4號充填措施3 m處建一道2 m厚水泥預制塊墻(3號密閉墻)，70 m處建一道2 m厚水泥預制塊墻(4號密閉墻)，兩墻之間用矸石充填，矸石頂部空隙用水泥混凝土充填；2 m厚的水泥預制塊墻四周均需掏槽，掏槽需掏至硬幫、硬底，掏槽深部均不小于0.5 m。矸石填充完畢后，再利用3號密閉墻預留的注漿管進行注水泥砂漿充填。

3.4 防沖方案

根據《中央大巷沖擊危險性評價及防沖設計研究報告》，中央帶式輸送機大巷沿煤巷掘進期間沖擊地壓危險等級整體為強沖擊危險，沿巖巷掘進期間沖擊地壓危險等級整體為中等沖擊危險。

3.4.1 中等沖擊危險區防沖方案

迎頭大孔徑鉆孔卸壓：卸壓孔參數，見表2。

表2 迎頭卸壓孔參數Table 2 Parameters of head-on relief borehole

施工時，共布置3個鉆孔，采用“三花”型布置方式，下部兩孔距離巷幫各1.4 m，上部孔距離底板2 m，孔深50 m。當掘進工作面距卸壓孔終孔位置15 m時，施工下一輪迎頭卸壓孔，始終保持掘進前方不小于15 m處為有效卸壓范圍。

幫部大孔徑鉆孔卸壓：卸壓孔參數，見表3。

表3 兩幫卸壓孔參數Table 3 Parameters of two-sides relief boreholes

施工時，使幫部卸壓孔垂直于巷幫，單排布置，鉆孔直徑113 mm，孔深14 m，鉆孔距底板1.4 m，封孔長度3 m，滯后迎頭不得超過50 m。

底板大孔徑鉆孔卸壓：卸壓孔參數，見表4。

表4 底板卸壓孔參數Table 4 Parameters of floor relief boreholes

施工時，底板卸壓孔傾角為-60°，鉆孔直徑113 mm，孔間距1.4 m，孔深10 m。當鉆孔遇巖石不足10 m時，鉆孔施工至巷道底板巖石1 m，滯后迎頭不超過50 m。

3.4.2 強沖擊危險區防沖方案

結合孟村煤礦近2年實施的鉆孔卸壓效果分析，在強沖擊危險區域與中等沖擊危險區域基本一致，僅在參數上略有調整。

迎頭大孔徑鉆孔卸壓：采用“五花”布置，三下兩上，其他參數不變。

幫部大孔徑鉆孔卸壓：孔間距由1.4 m調整為0.7 m，其他參數不變。

底板大孔徑鉆孔卸壓：孔間距由1.4 m調整為0.7 m，其他參數不變。

3.4.3 特殊時期和區域治理方案

掘進期間巷道貫通、立交等屬于特殊防沖時期，在特殊時期制定防沖專項措施步驟如下：①針對特殊時期的地質及采掘情況，提前編制特殊時期的沖擊地壓防治專項措施。②根據監測結果開展專項卸壓措施；當沖擊危險等級為中等時，按照掘進期間的中等沖擊危險區域防沖措施，當沖擊危險等級為強時，按照掘進期間的強沖擊危險區域防沖措施。

3.4.4 效果檢驗

綜合檢驗方法：采用微震監測法、地音監測等綜合監測系統，根據工作面防沖措施是否達到了設計要求和滿足相關的規章、標準等，依據微震事件能量和頻次變化，地音監測數據變化值共同確定效果檢驗結果。

鉆屑法：當認為綜合檢驗方法不能實現檢驗結果時，補充采用鉆屑法進行檢驗。

每輪超前卸壓孔施工完成后進行一次鉆屑法檢測，判定巷道沖擊地壓危險程度，若檢驗結果達不到安全施工條件，嚴禁掘進施工，必須再次進行解危處理，直至解危效果符合安全施工條件方可掘進施工。

掘進巷道開工前或停工超過3 d的巷道復工前，應按規定對該巷道進行解危和效果檢驗，判定其沖擊地壓危險程度，若檢驗結果不達標，必須再次進行解危處理，直至解危效果符合安全施工要求方可恢復掘進施工。

4 結語

(1)孟村煤礦中央帶式輸送機大巷層位調整施工技術方案是可行的，層位調整施工實踐是成功的，為相似工程條件下的大巷層位調整提供了可借鑒的成功經驗。

(2)截至目前，我國雖已初步建成了沖擊地壓礦井防治體系，但防沖措施的實施普遍沒有落到實處，尤其受地質構造影響的沖擊地壓礦井，更要嚴格落實防沖措施，方可保障礦井安全平穩開采。