下沟煤矿下分层留巷地勘技术

王海龙，计 平，苗 峥

(彬县煤炭有限责任公司，陕西 咸阳 713500)

0 引言

下沟煤矿位于彬长矿区东南部，可采煤层4号煤为特厚煤层，全区煤层为单斜构造，倾向北西，南部倾而北部缓，地质构造简单，水文地质类型中等。404采区位于下沟井田西北部，该采区西部和北部为井田边界，东部为401采区，南部为403采区。404采区工作面设计走向一般长约1 800 m，倾斜一般180 m，由南至北依次为ZF4401、ZF4402、ZF4403、ZF4404工作面，回采方式采用综合机械化放顶煤回采。回采至今已经10 a左右，采空区顶板岩层已经稳定，ZF4402和ZF4403工作面煤层倾角3°～7°，属近水平煤层，平均厚度11.5 m，属特厚煤层，其回采过程中留设3～4 m底煤。经过初步计算，此部分煤炭资源依然比较丰富，具有较高的回采价值，基于此，矿井经多方面研究制定采出方案及可行性报告，从404采区地质条件、下分层留巷应力分析、巷道掘进期间地质勘探技术应用、成巷效果几个方面进行论述，对采空区下留设底煤的回采提供了理论与经验借鉴，为矿井资源回收利用开拓了新的思路方案。

1 采区地质

下沟煤矿404采区位于下沟井田西北部，为北西倾斜的简单的单斜构造，倾角3°～10°，构造简单，属近水平煤层，平均厚度11.5 m，属特厚煤层。区内无超过2 m以上的大型断层及褶皱构造，煤层直接顶板多为黑灰色泥岩、砂质泥岩、碳质泥岩，属软弱岩层，稳定性差，底板为灰色含铝质泥岩，属软弱岩层，遇水膨胀，易发生底鼓现象。采区瓦斯涌出量随采动影响释放减小，4402措施巷掘进期间瓦斯涌量一般为0.1%～0.5%；采区涌水量经过回采期间实际数据得知，涌水量较小，为简单型，目前封闭区内涌水量一般为50 m3/d。煤层埋深400～550 m，整体具有弱冲击危险性，局部为中等冲击危险区域，因此要加强冲击地压管理工作。根据以往资料查证计算404采区4号煤层剩余总储量估计为1 010.2万t。404采区工作面布置如图1所示。

2 下分层留巷应力分析及煤柱确定

计划在404采区施工勘探措施巷，主要用于ZF4402工作面和ZF4403工作面下分层底煤探查，位于ZF4402泄水巷与ZF4403回风顺槽之间，初步设计沿4号煤层底板布置。

随着上区段工作面推进范围不断增大，工作面基本顶发生“O-X”周期性破断，在采出空间上方形成“砌体梁”结构。基本顶在实体煤侧为固支边，在煤体侧的断裂线位于煤壁内，形成以基本顶岩层为主的上覆岩体大结构，如图2所示。

图1 404采区工作面及巷道布置Fig.1 Layout of working face and roadway in 404 mining area

图2 煤柱稳定性分析Fig.2 Stability analysis of coal pillar

上覆基本顶破断形成岩块A、岩块B和岩块C，其中岩块B在沿空巷道上方垮落形成弧形三角块B，并以煤体之上的断裂线为轴向下旋转；在超前支承压力和侧向支承压力叠加作用下，岩块A下方的煤体、直接顶压缩下沉，岩块C下方的矸石压缩下沉，岩块B发生旋转下沉，如图3所示。

图3 煤柱稳定性力学模型Fig.3 Mechanical model of coal pillar stability

煤柱载荷主要受上覆岩层2类结构作用影响，一是低位岩层垮落带及裂隙带破断覆岩产生的载荷，二是高位未破断的弯曲下沉带覆岩产生的载荷，如图4所示。

图4 煤柱稳定性力学分析Fig.4 Mechanical analysis of coal pillar stability

煤柱内部铅直应力计算公式

σz=

煤柱内弹性核宽度计算公式

Le=

不同煤柱宽度塑性区分布见表1，不同煤柱宽度应力及塑性区分布如图5所示。

表1 不同煤柱宽度塑性区分布

图5 不同煤柱宽度应力及塑性区分布Fig.5 Stress and plastic zone distribution of different coal pillar widths

由图5可知，20 m煤柱靠近顶板位置发生明显破碎，30 m、40 m和50 m煤柱弹性核部分完整性较好。随着煤柱尺寸的增加，弹性核宽度逐渐增大，塑性区范围基本保持在6 m左右。

ZF4402工作面与ZF4403工作面之间煤柱宽度为34.95 m，煤柱内有ZF4402泄水巷，根据上述理论分析和数值模拟，35 m煤柱侧6 m范围左右塑性区，掘巷本身产生0.9 m左右塑性区，并据天地科技所做现场窥视工作“在区段煤柱未受采动的实体煤侧，由于掘巷造成的破碎带深度为0.9 m；采空区侧受一次采动影响形成的破碎带宽度为5.8 m”，ZF4402泄水巷与ZF4403回风顺槽之间煤柱宽度20.9 m，因此，根据煤柱稳定性分析综合分析建议4402措施巷宽3.6 m，距离ZF4403回风顺槽8.65 m(>6.7 m)，大于采空区一次破坏的5.8 m和ZF4402掘巷本身破坏的0.9 m的和，整体比较安全；距离ZF4402泄水巷8.65 m，大于ZF4402掘巷本身破坏的0.9m，整体比较安全，存在一定范围的稳定区域煤柱，有助于采空区漏风、CO等有害气体溢出的处理，如图6所示。

3 巷道掘进期间地质勘探技术应用

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

4402措施巷设计全长1 847 m，其中斜巷设计27.34 m×3.6 m×3.1 m(长×宽×高) 。4402措施巷掘进期间，矿井在科研院所理论研究及巷道设计基础上采用瞬变电磁仪法和钻探相结合的物探方法，提前对巷道掘进前方地质构造及采空区情况进行预测预报，取得较好的效果。

瞬变电磁仪探测主要是在巷道掘进前方和上方及左、右几个方向进行探测，通过数据分析、形成曲线、结果异常方法，将巷道前方约100 m范围内异常体进行探测。

钻探法矿井采用的探放水钻机从巷道掘进方向的正前方和左右方进行探测。设计钻进深度120 m，允许掘进长度80 m，钻孔施工过程中，矿井地测科现场观察钻孔施工情况，对钻杆钻进效果、出渣、出水等情况进行记录，同时安排通风科技术人员对钻孔内有害气体含量进行测量，以确保掘进巷道继续掘进的安全性。

4 巷道掘进风险辨识及管控措施

4.1 风险辨识

404采区补充勘探措施巷处于已采工作面中部区域，充水水源主要为ZF4402和ZF4403工作面釆空区水，掘进时通过断层裂隙及釆动裂隙渗入工作面，造成掘进迎头发生透水事故。404采区属高瓦斯区需加强瓦斯管理，煤尘爆炸指数为45.27，有强爆性，煤炭自燃倾向性为Ⅱ类，自燃煤层，由于404采区补充勘探措施巷为窄煤柱掘进巷道，釆空区内可能有有害气体涌出或产生采空区漏风，引起采空区煤炭自然发火。404采区补充勘探措施巷受采空区影响压力大，掘进实施过程中易发生冲击地压或顶板事故。404采区补充勘探措施巷施工是沿4号煤层底板施工，锚网支护，巷道受采空区动压影响变形，支护状况受破坏较大，容易产生支护失效现象。

4.2 管控措施

精心组织施工：404采区补充勘探措施巷掘进掘进过程中严格采取“边探边掘，先探后掘”的施工方式，瓦斯检査员、跟班队长、班长需佩戴数字瓦斯监测仪，每循环作业前共同检査有害气体浓度确认安全后方可掘进施工。当发现有害气体超过规定或有透水征兆等问题，及时停止工作、撤出人员，及时向矿调度室汇报。

完善排水系统：404采区补充勘探措施巷掘进施工前排水系统必须完善，排水管紧跟迎头或距掘进头20 m范围内，确保排水泵安装好与排水管相通可随时使用，并配备备用水泵及相关排水管路维护工具材料。

边掘边喷：404采区补充勘探措施巷在掘进施工过程中为了防止采空区漏风及采空区有毒有害气体溢出，坚持采用边掘进边喷浆措施，喷浆工作不能滞后工作面迎头40 m以上，如果滞后超过施工要求，则停止工作面掘进，完成巷道喷浆进度。

观测顶板：404采区补充勘探措施巷掘进施工时加强顶板离层观测并做好记录，顶板离层仪50 m打设一组进行观测，在观测过程中超过规定或发现异常及时向生产科和矿分管领导汇报，采取有效措施后方可继续掘进。

及时支护：404采区补充勘探措施巷加密锚索布置，按每排2根施工；坚持敲帮问顶制度，按标准要求使用临时支护，及时进行永久支护，禁止出现支护滞后及空顶作业现象。

预防冲击地压：404采区补充勘探措施巷掘进过程中严格执行冲击地压防治管理工作，当掘进过程中发现有冲击地压危险时，现场所有人员应立即停止作业，撤出至巷道200 m以外的安全地点并汇报矿调度等候指令。待确定冲击地压解除后，方可恢复施工。

5 措施巷成巷效果

4402措施巷是一次较成功的探索，它在上覆采空区的情况下，煤柱间留巷掘巷，根据设计采用综掘机掘进，利用锚网索支护，共计掘进380 m，平均每天掘进10 m，巷道成型较好，掘进期间未发生瓦斯超高、巷道垮落、出水等现象。掘进过程中，矿井采取顶板离层观测、施工卸压孔、巷道喷浆、向巷道两侧直角施工探放水孔等措施，均收到良好效果，数据或者测量显示，未发现异常。

按照最初勘探巷道设计，此项工程未能最终完成，穿采空区工作面底板巷道掘锚勘探工程未能施工，不是项目设计、技术应用或者地质构造条件影响的原因，而是矿井采掘接续不允许尝试新工艺。

6 结语

下沟煤矿404采区留设底煤的回收项目，是矿井在煤炭资源充分利用回收道路上的一次伟大的科技创新与尝试，在404采区回采设计中并未考虑分层开采，未采取分层开采的系列措施，经过商议并与科研院所合作设计出该采区的勘探方案，对下分层煤炭资源回收有着承上启下的作用，4402措施巷掘进采用各种物探手段，采用多种灾害预防治理措施，在巷道压力大，各类地质条件复杂的情况下，精心组织合理安排，成巷近400 m，掘进煤量5 000 t，为今后下沟煤矿后期实施下分层煤炭资源再回收积累了经验，对合理开发利用煤炭资源及可持续发展意义深远。