曹斌華，頓會(huì)東，李寧寧，胡璐偉

(旬邑縣中達(dá)燕家河煤礦有限公司，陜西 咸陽(yáng) 711300)

0 引言

鉆屑法是通過(guò)在煤層中打小直徑鉆孔，根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律以及有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)鑒別煤層沖擊危險(xiǎn)性的一種方法。燕家河煤礦根據(jù)工作面的具體條件，運(yùn)用鉆屑法對(duì)三采區(qū)皮帶大巷的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)多次鉆屑取值，確定了圍巖應(yīng)力大小，從而判斷其不具有沖擊危險(xiǎn)性。

1 工程概況與地質(zhì)構(gòu)造

1.1 工程概況

燕家河煤礦位于隴東黃土高原的西南部，咸陽(yáng)市旬邑縣城西約23 km、彬州市東北20 km處。以百子溝河為界，礦井主采8#煤層，煤層厚度0.37～7.64 m，平均厚度4.78 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.80 Mt/a。根據(jù)開(kāi)采設(shè)計(jì)，目前八煤三采區(qū)為礦井新采區(qū)，三采區(qū)皮帶大巷為三采區(qū)主運(yùn)輸巷，現(xiàn)階段處于延伸階段，擔(dān)任煤炭運(yùn)輸，大巷設(shè)計(jì)為全煤巷道，其巷道斷面形狀為矩形，巷道凈寬4.6 m，凈高2.9 m，斷面積13.34 m2，沿煤層底板掘進(jìn)。工作面地表標(biāo)高1 145～1 195 m，地表無(wú)村莊、河流、公路，多為黃土塬、梁、坡，工作面標(biāo)高600～780 m，工作面平均埋深為470 m。三采區(qū)皮帶大巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 145 m。南部為設(shè)計(jì)的三采區(qū)軌道大巷，西部為八煤軌道下山設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱30 m，北部為三采區(qū)回風(fēng)大巷設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱30 m。

1.2 三采區(qū)皮帶大巷地質(zhì)構(gòu)造

頂?shù)装逄匦?直接頂板多為灰黑色泥巖，砂質(zhì)泥巖夾粉-細(xì)粒砂巖，厚度0.00～6.55 m，為易冒落的軟弱不穩(wěn)定頂板，基本頂板為中細(xì)粒粉砂巖，屬軟弱-中等堅(jiān)硬的較穩(wěn)定頂板；底板多為灰褐色鋁土質(zhì)泥巖，厚度0.71～16.01 m，為中等堅(jiān)硬的較穩(wěn)定底板。從底板巖性可知，三采區(qū)皮帶大巷沿煤層底板掘進(jìn)有利于沖擊地壓的防治，底板為鋁土質(zhì)泥巖，掘進(jìn)期間遇生產(chǎn)用水易侵蝕軟化，巷道受壓后易底臌，不易聚集彈性能量，不存在誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)條件。

物理力學(xué)性質(zhì):基本頂為中-細(xì)粒粉砂巖，抗壓強(qiáng)度42.374～62.776 MPa，容重為2.26～2.69 g/cm3。底板抗壓強(qiáng)度57.240 MPa，容重為2.51 g/cm3，為中等堅(jiān)硬的較穩(wěn)定底板。

煤層：三采區(qū)皮帶大巷傾向北偏西，傾角為3°～10°，屬較穩(wěn)定煤層，大巷平均煤厚5.6 m，煤層最厚處位于大巷中部，最薄處位于礦井邊界(停掘處)。

地質(zhì)構(gòu)造：三采區(qū)皮帶大巷從勘探報(bào)告及三采區(qū)軌道大巷、回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間未揭露斷面，由此可斷定三采區(qū)皮帶大巷掘進(jìn)期間不會(huì)出現(xiàn)斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

2 燕家河煤礦沖擊地壓鑒定工作情況

2015年7月旬邑縣中達(dá)燕家河煤礦有限公司委托煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司開(kāi)展燕家河煤礦8#煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定。接受委托后，2015年8月—2016年4月，由煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全監(jiān)測(cè)中心嚴(yán)格按照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法第1部分：采樣一般規(guī)定》(GB/T23561.1-2009)中的評(píng)判方法，進(jìn)行測(cè)試與鑒定工作，鑒定結(jié)果為8#煤樣及其頂?shù)装鍘r樣具有沖擊傾向性，建議結(jié)合礦井實(shí)際條件，同時(shí)根據(jù)工作面具體條件及井下動(dòng)力顯現(xiàn)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為礦井安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

根據(jù)鑒定結(jié)果及建議，燕家河煤礦組織相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員編制了針對(duì)三采區(qū)及大巷掘進(jìn)采掘工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)報(bào)告，并通過(guò)專(zhuān)家會(huì)審，評(píng)價(jià)結(jié)果為三采區(qū)皮帶大巷在掘進(jìn)期間無(wú)沖擊危險(xiǎn)性，根據(jù)專(zhuān)家組建議，在大巷掘進(jìn)期間采用鉆屑法對(duì)巷道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。三采區(qū)皮帶大巷在實(shí)際掘進(jìn)工程中，出現(xiàn)底臌現(xiàn)象，為了確保三采區(qū)皮帶大巷的安全生產(chǎn)，要求礦壓組在三采區(qū)皮帶大巷掘進(jìn)過(guò)程中采用鉆屑法對(duì)此進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 鉆屑法的應(yīng)用原理及應(yīng)用

3.1 鉆屑法的應(yīng)用原理

鉆屑法的原理是通過(guò)在工作面煤層中施工直徑為43 mm,孔深為8 m的鉆孔，在巷道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力重新分布，鉆孔施工過(guò)程中進(jìn)入圍巖應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)的壓力動(dòng)態(tài)特征，例如鉆進(jìn)困難(卡鉆、吸鉆)、煤粉量顆粒大小及其變化規(guī)律等一系列的動(dòng)壓現(xiàn)象，是鑒別沖擊危險(xiǎn)的一個(gè)方法[1]。

測(cè)點(diǎn)布置：針對(duì)燕家河煤礦三采區(qū)皮帶大巷掘進(jìn)工作面，測(cè)點(diǎn)布置在底臌嚴(yán)重及圍巖移動(dòng)變化較大的區(qū)域(礦壓組根據(jù)數(shù)據(jù)提供施工位置)。測(cè)試鉆孔采用mQTB-70/1.7氣動(dòng)支腿式幫錨桿機(jī)及1 m長(zhǎng)的麻花探水鉆孔，傾角為煤層傾角3°～6°，設(shè)計(jì)鉆孔深度為8 m，由于巷幫破碎第1桿不存在參考價(jià)值，因此記錄從第2桿(2 m)時(shí)開(kāi)始記錄煤粉量，最后取每個(gè)鉆孔每米的平均值作為該點(diǎn)的鉆屑值。

煤粉量臨界值指標(biāo)的確定：在監(jiān)測(cè)前，先要確定8煤三采區(qū)工作面的標(biāo)準(zhǔn)煤粉量指標(biāo)，為了確定煤粉量的標(biāo)準(zhǔn)值，在不受采動(dòng)影響的巷道內(nèi)，施工3～5個(gè)鉆孔，記錄每個(gè)鉆孔每米的標(biāo)準(zhǔn)煤粉量(kg/m)，根據(jù)3～5個(gè)鉆孔每米的平均煤粉量畫(huà)出標(biāo)準(zhǔn)煤粉量曲線(xiàn)圖，作為標(biāo)準(zhǔn)煤粉量。煤粉量臨界值取值標(biāo)準(zhǔn)：2～4 m的煤粉量按1.5倍標(biāo)準(zhǔn)煤粉量做為1～4 m鉆孔內(nèi)的臨界值，5～8 m的煤粉量按2倍標(biāo)準(zhǔn)煤粉量做為4～8 m鉆孔內(nèi)的臨界值。若在掘進(jìn)期間鉆孔內(nèi)出現(xiàn)煤粉量超過(guò)煤粉量臨界值時(shí)，或者鉆孔施工過(guò)程中出現(xiàn)鉆進(jìn)困難(卡鉆、吸鉆)、煤粉量顆粒大小等現(xiàn)象，可斷定該地點(diǎn)具有沖擊危險(xiǎn)性[2-3]。三采區(qū)標(biāo)準(zhǔn)煤粉量及煤粉量臨界值，如圖1所示。

圖1 三采區(qū)標(biāo)準(zhǔn)煤粉量及煤粉量臨界值

3.2 鉆屑法監(jiān)測(cè)在皮帶大巷掘進(jìn)期間的應(yīng)用

鉆屑法施工參數(shù):三采區(qū)皮帶大巷底臌段示意圖，如圖2所示。在掘進(jìn)期間局部地段(PL4測(cè)點(diǎn)前后30 m)出現(xiàn)底臌嚴(yán)重現(xiàn)象，為了驗(yàn)證三采區(qū)皮帶大巷在掘進(jìn)期間是否具有沖擊危險(xiǎn)性，特決定在掘進(jìn)期間對(duì)此進(jìn)行鉆屑法驗(yàn)證。具體施工位置為PL4測(cè)點(diǎn)前后30 m范圍內(nèi)為三采區(qū)皮帶大巷底臌段，因此對(duì)此段進(jìn)行鉆屑法監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為布置5個(gè)鉆孔，鉆孔深度8 m，孔徑43 mm，間距15 m，鉆孔高度距離底板1.5 m。設(shè)備操作由施工隊(duì)進(jìn)行，取樣由礦壓?jiǎn)T進(jìn)行取樣工作，并對(duì)取樣進(jìn)行稱(chēng)重，根據(jù)各個(gè)鉆孔的鉆屑量與鉆屑臨界值形成對(duì)比。

圖2 三采區(qū)皮帶大巷底臌段示意圖

鉆屑法監(jiān)測(cè)效果：三采區(qū)皮帶大巷PL4點(diǎn)前后30 m鉆屑量對(duì)比見(jiàn)表1，三采區(qū)皮帶大巷煤粉量對(duì)比如圖3所示。

表1 三采區(qū)皮帶大巷PL4點(diǎn)前后30 m鉆屑量對(duì)比表

圖3 三采區(qū)皮帶大巷煤粉量對(duì)比圖

經(jīng)過(guò)多次鉆屑取值，鉆孔在施工過(guò)程中鉆進(jìn)過(guò)程均勻，煤粉量細(xì)膩光滑，未出現(xiàn)卡鉆、吸鉆及顆粒大小不等的現(xiàn)象，底臌嚴(yán)重地段煤粉量均未超標(biāo)，由此可斷定三采區(qū)皮帶大巷不具有沖擊危險(xiǎn)性的特性。底臌原因主要是受采動(dòng)影響及底板鋁土質(zhì)泥巖遇水膨脹造成的底臌現(xiàn)象。

三采區(qū)皮帶大巷掘進(jìn)過(guò)程中均采用鉆屑法對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，若煤粉量超限或出現(xiàn)卡鉆等一系列動(dòng)壓現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)采取大孔徑泄壓措施，實(shí)施大孔徑后再對(duì)巷道進(jìn)行鉆屑取值并驗(yàn)證。

大孔徑泄壓技術(shù)要求：工作面在掘進(jìn)期間若有煤粉量超標(biāo)及卡鉆、吸鉆等現(xiàn)象時(shí)及時(shí)采取大孔徑泄壓技術(shù)，防止巷幫積聚大量彈性能量。工作面迎頭采用礦用坑道全液壓ZDY-400鉆機(jī)在巷道中部煤體應(yīng)力集中區(qū)域(監(jiān)測(cè)異常)施工3個(gè)φ130 mm鉆孔，鉆孔單排布置，距離底板為1.5 m，鉆孔深度20 m，開(kāi)口孔距1 m，鉆孔方位為50°、70°、90°，坡度0°～4°。當(dāng)掘進(jìn)工作面距離鉆孔底部剩余8 m時(shí)，循環(huán)進(jìn)度為12 m，若迎頭壓力較小時(shí)可不再施工泄壓鉆孔，待礦壓組根據(jù)鉆屑量及工作面礦壓動(dòng)力現(xiàn)象情況再施工泄壓鉆孔。

打鉆施工工藝流程：①作業(yè)環(huán)境安全確認(rèn)→固定鉆機(jī)→連接風(fēng)水管路、排水設(shè)備及附屬裝置→試鉆→開(kāi)鉆→正常鉆進(jìn)→退桿；②巷道幫部采用錨桿機(jī)施工φ50 mm鉆孔，鉆孔采用兩排布置，間排距3 m×1.2 m，上排距頂1.5 m布置，深度9 m，坡度0°～2°；③巷道底板采用同成ZQJ-300/1.1風(fēng)動(dòng)底錨鉆機(jī)施工φ80 mm鉆孔，鉆機(jī)沿巷道中線(xiàn)單排布置，間距1.5 m，鉆孔深度以打出硬巖為準(zhǔn)。巷道迎頭及幫部的鉆孔在生產(chǎn)科驗(yàn)收后用波雷固及時(shí)封閉，封孔長(zhǎng)度2 m，由瓦斯員監(jiān)督施工隊(duì)施工。

4 結(jié)論

(1)三采區(qū)皮帶大巷掘進(jìn)期間，通過(guò)鉆屑取值對(duì)比，確定了圍巖應(yīng)力的大小及是否具有沖擊危險(xiǎn)性。后期將在大巷及順槽掘進(jìn)工作面廣泛的推廣，施工過(guò)程中區(qū)隊(duì)施工人員可根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程的動(dòng)壓現(xiàn)象得出明確的結(jié)論。

(2)鉆屑法對(duì)燕家河煤礦掘進(jìn)工作面的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)提供了有力的依據(jù)。