馮俊超，宇文琦

(陜西彬長孟村礦業(yè)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(qiáng)度加大，我國快速涌現(xiàn)出一批沖擊地壓礦井，尤其是陜西彬長礦區(qū)和內(nèi)蒙古鄂爾多斯深部礦區(qū)，雖然開采歷史不長，但沖擊地壓災(zāi)害已成為影響它們安全生產(chǎn)的最大災(zāi)害。其中有些礦井由于設(shè)計(jì)理念落后，很多開采深度大于500 m的礦井在設(shè)計(jì)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(dǎo)致近年來一些深部開采礦井及新建礦井接連發(fā)生沖擊地壓災(zāi)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(dǎo)致了若干次沖擊地壓災(zāi)害，尤其自發(fā)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(jìn)行層位調(diào)整。研究孟村煤礦中央大巷層位調(diào)整技術(shù)對礦井防災(zāi)治災(zāi)和安全高效生產(chǎn)意義深遠(yuǎn)，選取具有代表性的中央帶式輸送機(jī)大巷層位調(diào)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(qū)中西部，設(shè)計(jì)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(nèi)4號煤層為單一可采煤層，煤層構(gòu)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(yè)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(qū)沿中央大巷兩翼布置，中央大巷采用5巷布置，設(shè)有2條輔助運(yùn)輸大巷、1條帶式輸送機(jī)大巷和2條回風(fēng)大巷。

根據(jù)《孟村礦井沖擊傾向性鑒定及沖擊地壓危險性評價研究報(bào)告》鑒定結(jié)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(qiáng)，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(qū)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(yùn)輸大巷和中央帶式輸送機(jī)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(fēng)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(wǎng)噴+錨索”支護(hù)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)“開拓巷道不得布置在有嚴(yán)重沖擊地壓煤層中”，但孟村煤礦中央大巷不僅布置在嚴(yán)重沖擊地壓煤層中，且布置范圍內(nèi)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(chǎn)生了嚴(yán)重影響，自2015年有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以來中央大巷累計(jì)發(fā)生7次能級在105J以上的沖擊地壓現(xiàn)象，沖擊破壞區(qū)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(shù)據(jù)記錄以來，孟村煤礦中央大巷共發(fā)生7次能級在105J以上的沖擊地壓現(xiàn)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(yán)重的是中央帶式輸送機(jī)大巷，其次是2條中央輔助運(yùn)輸大巷，最輕的是2條中央回風(fēng)大巷。沖擊地壓顯現(xiàn)特征主要有巷道底鼓、幫鼓、噴漿層漿皮脫落、原支護(hù)失效、設(shè)備位移、圍巖開裂等。

表1 孟村煤礦中央大巷發(fā)生較大沖擊地壓顯現(xiàn)情況統(tǒng)計(jì)

3 孟村煤礦中央帶式輸送機(jī)大巷層位調(diào)整技術(shù)

3.1 層位調(diào)整技術(shù)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(xù)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(xù)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(qū)基本上均為下山盤區(qū)，盤區(qū)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(shè)置盤區(qū)排水系統(tǒng)。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(zhì)泥巖、砂泥巖及碳質(zhì)泥巖等穩(wěn)定性較差巖體，屬軟弱巖層，遇水膨脹，巷道底鼓嚴(yán)重，其中鋁質(zhì)泥巖直接底厚度2～9 m，碳質(zhì)泥巖偽底厚度一般1 m。根據(jù)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(yán)重，不適宜布置巷道。結(jié)合國內(nèi)礦井軟巖支護(hù)情況，中央大巷若沿底板巖石布置，需采取“錨網(wǎng)噴+鋼筋混凝土砌碹+反底拱”支護(hù)，施工難度大、安全條件差、掘進(jìn)成本較高、維護(hù)困難。4號煤層直接頂上部基本頂為中等易冒落半堅(jiān)硬中、細(xì)粒砂巖，厚度可達(dá)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(zhì)泥巖、砂泥巖及碳質(zhì)泥巖，支護(hù)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(jiān)硬中、細(xì)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(jiān)測并采取卸壓措施可進(jìn)一步降低沖擊地壓的危險概率，確保安全。因此，設(shè)計(jì)將后續(xù)中央帶式輸送機(jī)大巷層位調(diào)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(jù)孟村煤礦中央帶式輸送機(jī)大巷目前布置及變形程度，經(jīng)研究需將DF29斷層影響范圍的區(qū)段進(jìn)行層位調(diào)整，并將原巷道進(jìn)行充填或重新加固。

3.2 施工方案

中央帶式輸送機(jī)大巷層位調(diào)整施工方案如圖2和圖3所示。

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

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

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

3.3 巷道充填方案

中央帶式輸送機(jī)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(yù)制塊墻(1號密閉墻)，80 m處建一道2 m厚水泥預(yù)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(yù)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(yù)留的注漿管進(jìn)行注水泥砂漿充填。

中央帶式輸送機(jī)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(yù)制塊墻(3號密閉墻)，70 m處建一道2 m厚水泥預(yù)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(yù)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(yù)留的注漿管進(jìn)行注水泥砂漿充填。

3.4 防沖方案

根據(jù)《中央大巷沖擊危險性評價及防沖設(shè)計(jì)研究報(bào)告》，中央帶式輸送機(jī)大巷沿煤巷掘進(jìn)期間沖擊地壓危險等級整體為強(qiáng)沖擊危險，沿巖巷掘進(jìn)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(qū)防沖方案

迎頭大孔徑鉆孔卸壓：卸壓孔參數(shù)，見表2。

表2 迎頭卸壓孔參數(shù)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(dāng)掘進(jìn)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(jìn)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(shù)，見表3。

表3 兩幫卸壓孔參數(shù)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(shù)，見表4。

表4 底板卸壓孔參數(shù)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(dāng)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(qiáng)沖擊危險區(qū)防沖方案

結(jié)合孟村煤礦近2年實(shí)施的鉆孔卸壓效果分析，在強(qiáng)沖擊危險區(qū)域與中等沖擊危險區(qū)域基本一致，僅在參數(shù)上略有調(diào)整。

迎頭大孔徑鉆孔卸壓：采用“五花”布置，三下兩上，其他參數(shù)不變。

幫部大孔徑鉆孔卸壓：孔間距由1.4 m調(diào)整為0.7 m，其他參數(shù)不變。

底板大孔徑鉆孔卸壓：孔間距由1.4 m調(diào)整為0.7 m，其他參數(shù)不變。

3.4.3 特殊時期和區(qū)域治理方案

掘進(jìn)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(xiàng)措施步驟如下：①針對特殊時期的地質(zhì)及采掘情況，提前編制特殊時期的沖擊地壓防治專項(xiàng)措施。②根據(jù)監(jiān)測結(jié)果開展專項(xiàng)卸壓措施；當(dāng)沖擊危險等級為中等時，按照掘進(jìn)期間的中等沖擊危險區(qū)域防沖措施，當(dāng)沖擊危險等級為強(qiáng)時，按照掘進(jìn)期間的強(qiáng)沖擊危險區(qū)域防沖措施。

3.4.4 效果檢驗(yàn)

綜合檢驗(yàn)方法：采用微震監(jiān)測法、地音監(jiān)測等綜合監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)工作面防沖措施是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和滿足相關(guān)的規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)等，依據(jù)微震事件能量和頻次變化，地音監(jiān)測數(shù)據(jù)變化值共同確定效果檢驗(yàn)結(jié)果。

鉆屑法：當(dāng)認(rèn)為綜合檢驗(yàn)方法不能實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果時，補(bǔ)充采用鉆屑法進(jìn)行檢驗(yàn)。

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

掘進(jìn)巷道開工前或停工超過3 d的巷道復(fù)工前，應(yīng)按規(guī)定對該巷道進(jìn)行解危和效果檢驗(yàn)，判定其沖擊地壓危險程度，若檢驗(yàn)結(jié)果不達(dá)標(biāo)，必須再次進(jìn)行解危處理，直至解危效果符合安全施工要求方可恢復(fù)掘進(jìn)施工。

4 結(jié)語

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

(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(shí)施普遍沒有落到實(shí)處，尤其受地質(zhì)構(gòu)造影響的沖擊地壓礦井，更要嚴(yán)格落實(shí)防沖措施，方可保障礦井安全平穩(wěn)開采。