下溝煤礦下分層留巷地勘技術

王海龍，計 平，苗 崢

(彬縣煤炭有限責任公司，陜西 咸陽 713500)

0 引言

下溝煤礦位于彬長礦區東南部，可采煤層4號煤為特厚煤層，全區煤層為單斜構造，傾向北西，南部傾而北部緩，地質構造簡單，水文地質類型中等。404采區位于下溝井田西北部，該采區西部和北部為井田邊界，東部為401采區，南部為403采區。404采區工作面設計走向一般長約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械化放頂煤回采。回采至今已經10 a左右，采空區頂板巖層已經穩定，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，其回采過程中留設3～4 m底煤。經過初步計算，此部分煤炭資源依然比較豐富，具有較高的回采價值，基于此，礦井經多方面研究制定采出方案及可行性報告，從404采區地質條件、下分層留巷應力分析、巷道掘進期間地質勘探技術應用、成巷效果幾個方面進行論述，對采空區下留設底煤的回采提供了理論與經驗借鑒，為礦井資源回收利用開拓了新的思路方案。

1 采區地質

下溝煤礦404采區位于下溝井田西北部，為北西傾斜的簡單的單斜構造，傾角3°～10°，構造簡單，屬近水平煤層，平均厚度11.5 m，屬特厚煤層。區內無超過2 m以上的大型斷層及褶皺構造，煤層直接頂板多為黑灰色泥巖、砂質泥巖、碳質泥巖，屬軟弱巖層，穩定性差，底板為灰色含鋁質泥巖，屬軟弱巖層，遇水膨脹，易發生底鼓現象。采區瓦斯涌出量隨采動影響釋放減小，4402措施巷掘進期間瓦斯涌量一般為0.1%～0.5%；采區涌水量經過回采期間實際數據得知，涌水量較小，為簡單型，目前封閉區內涌水量一般為50 m3/d。煤層埋深400～550 m，整體具有弱沖擊危險性，局部為中等沖擊危險區域，因此要加強沖擊地壓管理工作。根據以往資料查證計算404采區4號煤層剩余總儲量估計為1 010.2萬t。404采區工作面布置如圖1所示。

2 下分層留巷應力分析及煤柱確定

計劃在404采區施工勘探措施巷，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回風順槽之間，初步設計沿4號煤層底板布置。

隨著上區段工作面推進范圍不斷增大，工作面基本頂發生“O-X”周期性破斷，在采出空間上方形成“砌體梁”結構。基本頂在實體煤側為固支邊，在煤體側的斷裂線位于煤壁內，形成以基本頂巖層為主的上覆巖體大結構，如圖2所示。

圖1 404采區工作面及巷道布置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為軸向下旋轉；在超前支承壓力和側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發生旋轉下沉，如圖3所示。

圖3 煤柱穩定性力學模型Fig.3 Mechanical model of coal pillar stability

煤柱載荷主要受上覆巖層2類結構作用影響，一是低位巖層垮落帶及裂隙帶破斷覆巖產生的載荷，二是高位未破斷的彎曲下沉帶覆巖產生的載荷，如圖4所示。

圖4 煤柱穩定性力學分析Fig.4 Mechanical analysis of coal pillar stability

煤柱內部鉛直應力計算公式

σz=

煤柱內彈性核寬度計算公式

Le=

不同煤柱寬度塑性區分布見表1，不同煤柱寬度應力及塑性區分布如圖5所示。

表1 不同煤柱寬度塑性區分布

圖5 不同煤柱寬度應力及塑性區分布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，煤柱內有ZF4402泄水巷，根據上述理論分析和數值模擬，35 m煤柱側6 m范圍左右塑性區，掘巷本身產生0.9 m左右塑性區，并據天地科技所做現場窺視工作“在區段煤柱未受采動的實體煤側，由于掘巷造成的破碎帶深度為0.9 m；采空區側受一次采動影響形成的破碎帶寬度為5.8 m”，ZF4402泄水巷與ZF4403回風順槽之間煤柱寬度20.9 m，因此，根據煤柱穩定性分析綜合分析建議4402措施巷寬3.6 m，距離ZF4403回風順槽8.65 m(>6.7 m)，大于采空區一次破壞的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，存在一定范圍的穩定區域煤柱，有助于采空區漏風、CO等有害氣體溢出的處理，如圖6所示。

3 巷道掘進期間地質勘探技術應用

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

4402措施巷設計全長1 847 m，其中斜巷設計27.34 m×3.6 m×3.1 m(長×寬×高) 。4402措施巷掘進期間，礦井在科研院所理論研究及巷道設計基礎上采用瞬變電磁儀法和鉆探相結合的物探方法，提前對巷道掘進前方地質構造及采空區情況進行預測預報，取得較好的效果。

瞬變電磁儀探測主要是在巷道掘進前方和上方及左、右幾個方向進行探測，通過數據分析、形成曲線、結果異常方法，將巷道前方約100 m范圍內異常體進行探測。

鉆探法礦井采用的探放水鉆機從巷道掘進方向的正前方和左右方進行探測。設計鉆進深度120 m，允許掘進長度80 m，鉆孔施工過程中，礦井地測科現場觀察鉆孔施工情況，對鉆桿鉆進效果、出渣、出水等情況進行記錄，同時安排通風科技術人員對鉆孔內有害氣體含量進行測量，以確保掘進巷道繼續掘進的安全性。

4 巷道掘進風險辨識及管控措施

4.1 風險辨識

404采區補充勘探措施巷處于已采工作面中部區域，充水水源主要為ZF4402和ZF4403工作面釆空區水，掘進時通過斷層裂隙及釆動裂隙滲入工作面，造成掘進迎頭發生透水事故。404采區屬高瓦斯區需加強瓦斯管理，煤塵爆炸指數為45.27，有強爆性，煤炭自燃傾向性為Ⅱ類，自燃煤層，由于404采區補充勘探措施巷為窄煤柱掘進巷道，釆空區內可能有有害氣體涌出或產生采空區漏風，引起采空區煤炭自然發火。404采區補充勘探措施巷受采空區影響壓力大，掘進實施過程中易發生沖擊地壓或頂板事故。404采區補充勘探措施巷施工是沿4號煤層底板施工，錨網支護，巷道受采空區動壓影響變形，支護狀況受破壞較大，容易產生支護失效現象。

4.2 管控措施

精心組織施工：404采區補充勘探措施巷掘進掘進過程中嚴格采取“邊探邊掘，先探后掘”的施工方式，瓦斯檢査員、跟班隊長、班長需佩戴數字瓦斯監測儀，每循環作業前共同檢査有害氣體濃度確認安全后方可掘進施工。當發現有害氣體超過規定或有透水征兆等問題，及時停止工作、撤出人員，及時向礦調度室匯報。

完善排水系統：404采區補充勘探措施巷掘進施工前排水系統必須完善，排水管緊跟迎頭或距掘進頭20 m范圍內，確保排水泵安裝好與排水管相通可隨時使用，并配備備用水泵及相關排水管路維護工具材料。

邊掘邊噴：404采區補充勘探措施巷在掘進施工過程中為了防止采空區漏風及采空區有毒有害氣體溢出，堅持采用邊掘進邊噴漿措施，噴漿工作不能滯后工作面迎頭40 m以上，如果滯后超過施工要求，則停止工作面掘進，完成巷道噴漿進度。

觀測頂板：404采區補充勘探措施巷掘進施工時加強頂板離層觀測并做好記錄，頂板離層儀50 m打設一組進行觀測，在觀測過程中超過規定或發現異常及時向生產科和礦分管領導匯報，采取有效措施后方可繼續掘進。

及時支護：404采區補充勘探措施巷加密錨索布置，按每排2根施工；堅持敲幫問頂制度，按標準要求使用臨時支護，及時進行永久支護，禁止出現支護滯后及空頂作業現象。

預防沖擊地壓：404采區補充勘探措施巷掘進過程中嚴格執行沖擊地壓防治管理工作，當掘進過程中發現有沖擊地壓危險時，現場所有人員應立即停止作業，撤出至巷道200 m以外的安全地點并匯報礦調度等候指令。待確定沖擊地壓解除后，方可恢復施工。

5 措施巷成巷效果

4402措施巷是一次較成功的探索，它在上覆采空區的情況下，煤柱間留巷掘巷，根據設計采用綜掘機掘進，利用錨網索支護，共計掘進380 m，平均每天掘進10 m，巷道成型較好，掘進期間未發生瓦斯超高、巷道垮落、出水等現象。掘進過程中，礦井采取頂板離層觀測、施工卸壓孔、巷道噴漿、向巷道兩側直角施工探放水孔等措施，均收到良好效果，數據或者測量顯示，未發現異常。

按照最初勘探巷道設計，此項工程未能最終完成，穿采空區工作面底板巷道掘錨勘探工程未能施工，不是項目設計、技術應用或者地質構造條件影響的原因，而是礦井采掘接續不允許嘗試新工藝。

6 結語

下溝煤礦404采區留設底煤的回收項目，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新與嘗試，在404采區回采設計中并未考慮分層開采，未采取分層開采的系列措施，經過商議并與科研院所合作設計出該采區的勘探方案，對下分層煤炭資源回收有著承上啟下的作用，4402措施巷掘進采用各種物探手段，采用多種災害預防治理措施，在巷道壓力大，各類地質條件復雜的情況下，精心組織合理安排，成巷近400 m，掘進煤量5 000 t，為今后下溝煤礦后期實施下分層煤炭資源再回收積累了經驗，對合理開發利用煤炭資源及可持續發展意義深遠。