李劍飛

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

礦井工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，褶皺寬緩，底板起伏大，西低東高，煤層厚度變化大，地質(zhì)構(gòu)造少。工作面位于相應(yīng)的下山帶位置以下，在掘進(jìn)過(guò)程中，20 m范圍內(nèi)暴露出兩條正常頂板斷層，斷層附近瓦斯異常。工作面水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層頂板砂巖裂隙水是主要充水水源，預(yù)計(jì)掘進(jìn)期間的最大涌水量為20 m3/h，煤層直接頂面大部分為砂、泥巖，硬度為46；煤層正下方為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖，硬度為46。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性情況

2 巷道圍巖裂隙探測(cè)分析

在地質(zhì)雷達(dá)分析的第一區(qū)域，借助探測(cè)雷達(dá)來(lái)探測(cè)松散圍巖的周長(zhǎng)表面、分布時(shí)間和雷達(dá)圖像上的波速。當(dāng)移動(dòng)到臨時(shí)深度時(shí)，可得到物體和層的深切口，達(dá)到探測(cè)目標(biāo)。在主巷道中，選擇了四個(gè)部分來(lái)檢測(cè)周圍巖石的疏松區(qū)。通過(guò)觀察探測(cè)段的雷達(dá)掃描圖，并根據(jù)拉丹分析軟件對(duì)探測(cè)段傳播速度進(jìn)行分析，可以看出擾動(dòng)圍巖的傳播速度約為0.093 m/s，不受干擾圍巖的傳播速度約為0.116 m/s；深度為2 m時(shí)，傳播速度為0.118 m/s。傳播速度隨檢測(cè)深度的增加而增加，密度也隨深度的增加而增加，傳播速度突變范圍為1.2～1.7 m，因此，疏松圈的范圍為1.2～1.7 m。隨后又對(duì)主巷道進(jìn)行了目視檢測(cè)和分析，并在主巷道的檢修位置處，對(duì)巷道頂板和側(cè)面的多個(gè)井孔進(jìn)行了初步檢測(cè)，檢測(cè)深度為10 m。檢測(cè)結(jié)果表明：圍巖中存在各種裂縫和空洞，其中一些具有較大的開(kāi)口；孔段的部分巖體很破碎，容易坍塌，巷道頂板和墻的整體性一般；泥巖質(zhì)弱、強(qiáng)度低，井眼中出現(xiàn)螺旋線，圍巖屬于典型的松散破碎節(jié)理軟巖；在屋頂?shù)?.4 m深度處以及墻壁的8 m處仍可以看到斷裂帶，仍然可見(jiàn)裂縫，并且松散的巖石破壞帶和孔洞塌陷和堵塞現(xiàn)象出現(xiàn)，且有一些孔洞擴(kuò)展到更深處。經(jīng)過(guò)分析得出，巷道圍巖變形破壞比較嚴(yán)重，塑性區(qū)已變成松散區(qū)，在圍巖開(kāi)采和圍巖裂縫發(fā)展的影響下，巷道松散區(qū)也有所增加，給巷道支護(hù)帶來(lái)很大困難。

3 方案設(shè)計(jì)

對(duì)煤礦的開(kāi)拓問(wèn)題處理不妥當(dāng)，會(huì)對(duì)礦井的開(kāi)采造成不利影響，如果想改變已經(jīng)造成的不合理情況，去進(jìn)行更多工程建設(shè)、增加建設(shè)投資，則需要很長(zhǎng)時(shí)間。在對(duì)主要開(kāi)發(fā)巷道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇截面尺寸還是截面形狀，對(duì)坑道的安全生產(chǎn)有著重要影響。開(kāi)拓巷道時(shí)，在滿足安全條件下，應(yīng)該提高斷面利用率，降低工程成本。目前，在我國(guó)開(kāi)辟的小巷中，斷面形狀基本是直壁拱形和梯形，在某些特殊情況下也可使用其他形式。為了延長(zhǎng)坑道的服務(wù)年限，保證圍巖的穩(wěn)定性，有時(shí)也會(huì)使用半圓形、拱形的形狀。該礦采用斜井雙水平上下坡開(kāi)拓，第一層高程為+150～-50 m，第二層高程為-50～-200 m，井口高程為+305 m。目前，礦區(qū)為一級(jí)礦區(qū)，開(kāi)發(fā)面積為8.85 km2，分為東西兩翼六個(gè)礦區(qū)，有11、12、13、14和15號(hào)生產(chǎn)礦區(qū)，礦井包含5個(gè)進(jìn)氣井和5個(gè)返回井，并劃分為多區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)。

此次開(kāi)拓礦井選用的主要開(kāi)采方法為走向長(zhǎng)壁下放法，主要開(kāi)采技術(shù)為綜采與爆破結(jié)合。所有的崩落方法都用于管理屋頂。巷道變形和破壞的發(fā)展與巷道的準(zhǔn)備和布置有關(guān)。除采礦部署外，分層選擇的巷道布置決定了巷道圍巖的強(qiáng)度以及巷道與煤層底板之間的垂直距離，而不是交叉開(kāi)采下巷道與巷道制動(dòng)線或煤壁之間的水平距離。決定進(jìn)行交叉開(kāi)采時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行交叉開(kāi)采，以確定巷道的實(shí)心巖石位置層中應(yīng)力的大小和時(shí)間。保留一些煤柱以保護(hù)斜井、地下儲(chǔ)藏場(chǎng)、礦井、主干道以及上坡和下坡。這些巷道會(huì)受到一定程度的前支撐壓力和長(zhǎng)期的側(cè)支撐壓力，兩種保護(hù)壓力的大小會(huì)對(duì)巷道的位置及巷道某部分中硬巖層的應(yīng)力集中系數(shù)產(chǎn)生影響。兩個(gè)支撐壓力越大，地層的應(yīng)力集中系數(shù)越小。當(dāng)開(kāi)采深度達(dá)到一定值后，留下的煤柱將不利于下、前井筒的維護(hù)，與采空區(qū)豎井的維護(hù)相比，煤柱下豎井的變形和維護(hù)在深度開(kāi)拓時(shí)的成本費(fèi)用耗費(fèi)更高[2]。

隧道的深度開(kāi)發(fā)布置和基坑開(kāi)挖布置對(duì)巷道的支護(hù)有很大影響。充分利用圍巖強(qiáng)度，降低圍巖應(yīng)力集中系數(shù)，改變巷道開(kāi)挖預(yù)警條件，縮短邊路交通長(zhǎng)期影響壓力，并考慮對(duì)圍巖的保護(hù)、開(kāi)發(fā)和整治，是對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)的根本措施。巷道在分層布置、深度開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)設(shè)置第一煤層與巖層之間的垂直距離，保證圍巖具有較高的強(qiáng)度、較大的厚度和較強(qiáng)的完整性。深井開(kāi)采后，開(kāi)發(fā)隧道與第一個(gè)煤層之間的垂直距離應(yīng)增加到35～40 m。隨著開(kāi)采深度的增加或巖性的惡化，垂直距離也應(yīng)增加。當(dāng)垂直距離達(dá)到一定值時(shí)，將會(huì)第一次出現(xiàn)與巖性的垂直距離不一致的情況。采煤時(shí)應(yīng)集中布置坑道，為了減少開(kāi)采工作量，在開(kāi)采深度較大的新井時(shí)以立井開(kāi)拓為主，深部礦井主要以地下入井或新入井開(kāi)拓為主，布置原則與礦區(qū)正被開(kāi)拓的坑道一樣，坑道的準(zhǔn)備時(shí)間很短，對(duì)與第一個(gè)采煤層的垂直距離的設(shè)定和對(duì)圍巖完整性的要求有所降低。在沒(méi)有特殊支護(hù)措施的情況下，對(duì)能夠承受較大變形和破壞的重要坑道進(jìn)行開(kāi)拓前，必須采取預(yù)備采掘或卸貨措施；對(duì)現(xiàn)有交叉采掘條件的坑道進(jìn)行開(kāi)拓準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)提前考慮到雙方的保護(hù)壓力，并將上層的煤層依次分開(kāi)，以避免受到前支承壓力的影響后，再受到側(cè)面支撐壓力[3]。兩翼區(qū)采用上下單邊工作面采掘的方法，后工作面在采掘過(guò)程中，上下山煤柱逐漸變小，為防止地應(yīng)力集中度越來(lái)越高，在設(shè)計(jì)高水平的心部時(shí)，應(yīng)充分考慮交叉采掘的可行性。在準(zhǔn)備巷道布局時(shí)，應(yīng)滿足礦區(qū)的集中生產(chǎn)要求，巷道在整個(gè)礦區(qū)掘進(jìn)的時(shí)間有所縮短，在保證采掘力度的同時(shí)，應(yīng)滿足采掘工作的連續(xù)性。

4 施工技術(shù)

在巷道布置過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行煤層分層。巷道位置及大小的選擇會(huì)受到多因素的影響，如煤層底板與巷道之間的垂直距離、無(wú)交叉開(kāi)采條件下巷道與停放線之間的水平距離以及是否首先進(jìn)行交叉開(kāi)采。在該項(xiàng)目中，第一步是開(kāi)挖施工煤巷，即礦區(qū)回風(fēng)巷的掘進(jìn)；第二步是在采礦區(qū)建造安全帶巷道，并根據(jù)回風(fēng)道的施工條件，在穿越斷層前調(diào)整好坡度，在保證安全的前提下，最大限度地減少地下工作量，對(duì)于風(fēng)煤和帶煤巷道的建設(shè)，應(yīng)選擇合適煤層；最后對(duì)礦區(qū)軌道巷道進(jìn)行構(gòu)造，以形成一個(gè)完整的礦區(qū)系統(tǒng)[4]。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，工作面預(yù)測(cè)參數(shù)選取鉆孔瓦斯涌出初速度q和鉆屑瓦斯解析指數(shù)△h2。風(fēng)險(xiǎn)突出時(shí)，各指標(biāo)預(yù)測(cè)（效果檢驗(yàn)）的臨界值如下頁(yè)表2所示。

從表2可知，當(dāng)至少有一個(gè)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，預(yù)測(cè)工作面有突出風(fēng)險(xiǎn)或消突措施已失效，需再次采取防突措施。

表2 巷道掘進(jìn)期間預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值

上巷與采空區(qū)相鄰，由采空區(qū)側(cè)向進(jìn)入，下巷預(yù)留3根保護(hù)煤柱，主要負(fù)責(zé)工作面的輸送和回風(fēng)。對(duì)半煤巖巷道沿煤直頂及頂板完工后，采用錨網(wǎng)梁+錨索支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，支撐假頂板或支撐煤巷由鋼梯棚支撐，梁長(zhǎng)為4 260 mm。根據(jù)以前的礦井沿空巷道掘進(jìn)的野外實(shí)踐，將上巷道兩側(cè)15 m以內(nèi)的煤塊全部釋放，瓦斯也全部釋放，確保掘進(jìn)工作面區(qū)域不存在突出危險(xiǎn)。因此，可參考行車時(shí)的驗(yàn)證指標(biāo)，以預(yù)測(cè)工作面的突出危險(xiǎn)。但在168次的驗(yàn)證中，鉆孔瓦斯涌出初速度的最大值為8.26 L/min，最小值為0.1 L/min，平均值為1.21 L/min。在有些區(qū)域內(nèi)，q值超過(guò)4倍標(biāo)準(zhǔn)值，主要分布在距開(kāi)挖巷道510～550 m處。主要原因是該區(qū)域的煤層厚度變化很大，且瓦斯抽排還不夠。因此，在該煤層的掘進(jìn)和預(yù)排水階段，應(yīng)加強(qiáng)該位置的排水和突出風(fēng)險(xiǎn)消除工作。工作面下部巷道主要負(fù)責(zé)工作面的煤炭運(yùn)輸。對(duì)半煤巖巷道沿煤直頂及頂板完工后，采用錨網(wǎng)梁+錨索支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，支撐假頂板或支撐煤巷由鋼梯棚支撐，梁長(zhǎng)為4 260 mm。此處煤體強(qiáng)度低，巷道變形和破壞的發(fā)展與其準(zhǔn)備和布置有關(guān)。除采礦部署外，分層選擇的巷道布置還決定了巷道圍巖的強(qiáng)度以及巷道與煤層底板之間的垂直距離，而不是交叉開(kāi)采下巷道與巷道制動(dòng)線或煤壁之間的水平距離。

工作面煤層的鉆孔施工是在上下巷道掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行的，且后于工作面的掘進(jìn)，距離不小于20 m。從距制動(dòng)線20 m處開(kāi)始沿煤層鉆探到開(kāi)口，鉆孔平行于煤層，并沿煤層傾角均勻地布置。工作面上下巷道沿煤層傾角的井眼疊加長(zhǎng)度應(yīng)不少于5 m；上巷道的井眼深度應(yīng)≥70 m，下巷道的井眼深度應(yīng)≥75 m，井眼間距應(yīng)為1.5 m，井眼直徑應(yīng)為89～94 mm，井眼間向前方向的角度應(yīng)為85°。單孔煤平均產(chǎn)量為3.39～7.79 t，每米煤孔產(chǎn)煤量約為0.81～1.11 t。在控制范圍內(nèi)，單孔煤產(chǎn)量占總煤產(chǎn)量的比例為1%。實(shí)施液壓沖孔措施后，瓦斯的體積含量從約10 m3/t降低到8 m3/t以下，消除了工作面突出的危險(xiǎn)，改善了開(kāi)采環(huán)境，大大減少了射孔等瓦斯動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。掘進(jìn)速度也由每月40 m左右增加到每月85 m，速度提高了112.5%，降低了鉆井的難度和周期，提高了下部巷道的掘進(jìn)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

礦山是通過(guò)從地面掘進(jìn)到開(kāi)采地的方式開(kāi)發(fā)的。在開(kāi)礦過(guò)程中，應(yīng)正確劃定地界，選擇合理的開(kāi)礦方法，以確定開(kāi)采量；需對(duì)礦場(chǎng)進(jìn)行合理的劃分，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、按不同技術(shù)類別確定采礦方法，并選擇正確的通風(fēng)方法和作業(yè)程序。井的開(kāi)發(fā)通常分為斜井的發(fā)掘、巷道的打開(kāi)和井的開(kāi)挖，這取決于井身的類型。開(kāi)發(fā)礦山在開(kāi)采中起著關(guān)鍵作用，由于在最初形成煤層時(shí)，煤層靠近地平線，但當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動(dòng)時(shí)，其形狀逐漸改變，形成單斜結(jié)構(gòu)和斷裂結(jié)構(gòu)等不同褶皺，因此，在采煤時(shí)還應(yīng)特別注意煤層的方向。此外，在開(kāi)礦過(guò)程中，還應(yīng)選用最先進(jìn)的技術(shù)和足夠數(shù)量的高效新型機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行開(kāi)礦，合理開(kāi)采礦山資源，以提高開(kāi)采效率。