盧小波

(華晉焦煤有限責任公司 沙曲一號煤礦， 山西 呂梁 033000)

煤礦巷道掘進是采煤工作最重要，也是事故最高發(fā)的一道工序，造成事故高發(fā)的主要因素之一就是隱蔽致災地質因素探測不夠精確，預測預報不夠準確。因此,從空間、時間、技術上改變探測模式，實現(xiàn)精準探測非常重要。

程建遠等[1]研究了煤礦巷道快速掘進的“長掘長探”技術，認為定向鉆探+孔中物探相互結合的巷道超前探測技術，能夠實現(xiàn)掘進巷道長距離、高精度的超前探測，滿足巷道快速掘進地質需求?？梢?，掘進巷道地質情況的查明程度和查明方式影響煤礦巷道的快速掘進。

在礦井地表，通過三維地震勘探及電法勘探初步查明大型構造及較大富水性區(qū)域。在井下，再應用超前探測等方法開展局部區(qū)域地質和水文地質工作。探測的主要任務是首先查明掘進巷道前方的隱伏地質因素，包括采空區(qū)、廢棄老窯(井筒)、封閉不良鉆孔、含水體、沖刷帶(無煤帶)等；其次查明煤層的空間賦存形態(tài)，如煤層起伏、煤厚變化、地質構造等。通過探測成果繪制較準確的預想地質剖面圖。同時在探測程序上應滿足“三專兩探”的要求。

沙曲一號煤礦井田走向長10～10.86 km，傾斜寬5～8 km，面積68.381 7 km2.截止2022年1月1日，全井田保有煤炭資源/儲量12.1億t，剩余可采儲量6.37億t，按核定生產(chǎn)能力450萬t/年計算，礦井服務年限101年。沙曲一礦平均每年掘進進尺約1.2萬m，探放水及有掘必探鉆探進尺約4.8萬m，超前探測工作量大。在前人研究成果的基礎上，提出“留巷探測”技術，以實現(xiàn)整個巷道的超前一次性精準探測，為巷道快速掘進提供精準地質保障。

1 短掘短探技術

目前，煤礦“有掘必探”工作普遍采用常規(guī)超前探測模式，即物探+鉆探—掘進—停掘的工作流程。這種工作流程即“短探短掘”。

1.1 短掘短探的方法

“短掘短探”是指單次探測距離短的巷道掘進超前探測工作模式。巷道掘進“有掘必探”工作中“短掘短探”的典型模式，即如果每次超前探測60 m、允許掘進30 m、留設30 m超前距，則巷道掘進30 m后，再次停止掘進，再次開展超前探測，如此往復循環(huán)，見圖1.

圖1 巷道掘進探放水鉆孔布置示意圖

目前，華晉沙曲一號煤礦井下煤巷綜掘平均速度每天10 m左右，而單次超前物探、鉆探的探測距離60～100 m，即每3天就得探測一次，頻繁的探測嚴重占用掘進時間和空間，因此“短掘短探”的方法不適用于該礦巷道快速掘進。

1.2 “短掘短探”的技術缺陷

“短掘短探”的工作模式存在如下技術缺陷：1) 探掘矛盾，即掘進時間不能探測，探測時間不能掘進，兩者存在時間、空間上的矛盾，造成探測和掘進的效率都比較低。2) 物探對探測環(huán)境要求較高，掘進巷道迎頭環(huán)境比較差，金屬干擾較多，造成物探成果質量差，不能有效指導生產(chǎn)。“短掘短探”工作模式是傳統(tǒng)開掘條件下的低效工作模式，不適應煤礦巷道快速掘進的技術需求。

2 “留巷探測”技術

“留巷探測”是指在留巷工作面對相鄰掘進工作面實行超前鉆探和物探的工作新方案，實現(xiàn)了探掘地點的分離，從理念上解決了探掘分離的矛盾，能一次性完成整條巷道的探測，一次性提供整條巷道的預想剖面圖，提供準確及完整的地質信息，利于生產(chǎn)安排和安全管控?！傲粝锾綔y”技術克服了“短鉆短掘”的技術缺陷，避免了打鉆與掘進在施工時間和空間上的矛盾，在充足的時間和空間內開展超前探測，提高了超前探測的質量，同時也為快速巷道掘進提供了充足的空間和時間。

2.1 “留巷探測”的技術思路

沙曲一號煤礦“切頂留巷”是在回采巷道施工一定深度的切頂鉆孔，然后進行定向爆破，在一定區(qū)域范圍內切開回采工作面頂板的應力傳播，一定程度上減少留巷頂板的壓力，增加巷道自身的承載作用，最大程度減少巷道變形量。留巷內通過推廣應用單元支架，更好地控制頂板下沉，確保沿空留巷最佳效果，經(jīng)過一系列采空區(qū)支護、整巷及封閉處理后，完成留巷。回采下一個工作面只需要再掘進另一條巷道[2].

“留巷探測”分為“留巷物探”和“留巷鉆探”，利用留巷的空間和時間，一次性提前完成對另一條巷道的精確勘探。

“留巷物探”技術是在掘進巷道鄰近的留巷內，利用反射槽波、礦井瞬變電磁實現(xiàn)對掘進巷道的整體探測，分析構造分布、富水性等水文地質條件。

“留巷鉆探”技術是在掘進巷道鄰近的留巷鉆場內，利用定向鉆機實現(xiàn)長距離超前鉆探[3]；沙曲一礦定向鉆孔深度最長可以達到1 000 m，一般定向鉆孔深度600 m，鉆孔順巷側一般可以達到300～700 m.沙曲一礦工作巷道長度一般為1 000～1 500 m，一條巷道僅需要施工3～5次定向鉆孔，即可完成整條巷道的“有掘必探”工作，長距離定向鉆孔布設示意圖見圖2.

圖2 長距離定向鉆孔布設示意圖

2.2 “留巷探測”的關鍵技術

如上所述，“留巷探測”是以切頂留巷為空間和時間載體，利用物探和定向鉆探對相鄰掘進工作面進行提前綜合精準勘探的技術。其中切頂留巷、槽波、大功率瞬變電磁探測是關鍵技術。

2.2.1 切頂留巷技術

沙曲一號煤礦留巷工藝主要步驟：恒阻錨索加強支護→頂板預裂爆破鉆孔及頂板預裂爆破施工→架后擋矸支護(架設單元支架)→巷道穩(wěn)定后撤除單元支架(打設信號點柱)，監(jiān)測頂板的變形。

2.2.2 工作面物探技術

在留巷開展反射槽波勘探和瞬變電磁探測，查明計劃掘進巷道的富水性和構造分布情況，為巷道優(yōu)化布置提供一定的參考依據(jù)。

1) 反射槽波法探測。

槽波在煤層中傳播遇到了煤層中的不連續(xù)體(斷層、陷落柱等)，即遇到了波阻抗分界面，就會產(chǎn)生反射槽波信號。因此，識別出這些反射槽波信號，就能直接判斷出煤層不連續(xù)體所在的位置。如圖3所示，反射槽波的炮點和檢波點布置在同一個巷道內。槽波反射法的最大優(yōu)點是可以在一條煤巷中向兩側進行小構造(平行或者近似平行巷道的構造最有效)的探測[4].

圖3 槽波反射法勘探示意圖

2) 瞬變電磁探測。

瞬變電磁探測原理是發(fā)射一次場，接收二次場，二次磁場的變化反映的是前方地質體的電性分布。瞬變電磁探測深度主要與發(fā)射線框的匝數(shù)、面積、電流有關，受煤礦巷道迎頭掌子面大小的影響，一般發(fā)射和接收天線尺寸都在2 m以下，但是在切頂留巷內，巷道高度比較高，寬度無限，因此留巷內可以采用大功率大線框實施超前探測，從裝備上提高了探測深度和精度[5].

3) 定向鉆探技術

定向鉆探主要采用導向鉆進技術，使鉆孔按設計要求的軌跡鉆進。用這種鉆進技術完成的鉆孔稱為定向孔。定向鉆探的主要優(yōu)點是能較準確地鉆到目的層。

3 “留巷探測”的應用

沙曲一號煤礦主采4號和5號煤層，其中4號煤平均厚度4.1 m，5號煤平均厚度3.7 m，礦井設計500萬t/a，實際為350萬t/a，達產(chǎn)任務艱巨，為了提高掘進效率，6采區(qū)4505軌道巷采用“留巷”探測技術，完成“有掘必探”工作，提前查明煤層起伏、構造發(fā)育以及陷落柱等地質異常體，為4505軌道巷連續(xù)快速掘進提供了時間和空間。

對4505軌道巷的探測，第一步是在4504軌道巷開展了反射槽波探測，見圖4，反射槽波成果顯示在巷道600～900 m，反射波能量較大，預測為一條落差3 m左右的斷層。預計對巷道掘進影響較小。

圖4 4505軌道巷“留巷探測”槽波成果圖

對4505軌道巷的探測，第二步是在4504軌道巷開展了大功率大線框瞬變電磁探測，見圖5，瞬變電磁成果顯示4505軌道巷沒有明顯的低阻異常區(qū)，即沒有水害威脅。

圖5 4505軌道巷“留巷探測”瞬變電磁成果圖

對4505軌道巷的探測，第三步是施工定向長鉆孔，總計施工了2次定向孔，根據(jù)定向鉆孔見煤巖情況及槽波勘探成果繪制了4505軌道巷“留巷探測”平剖面成果圖，見圖6，7，總計查明了2條斷層和2個陷落柱。

4 “留巷探測”的技術研討

1) “留巷探測”的合法性。

“留巷探測”鉆探采用專用探放水鉆機施工，符合《煤礦防治水細則》中的三專要求。《煤礦防治水細則》第39條，有條件的礦井，鉆探可采用定向鉆機，開展長距離、大規(guī)模探放水。“留巷探測”技術符合規(guī)程規(guī)定要求。

圖6 4505軌道巷“留巷探測”平面成果圖

圖7 4505軌道巷“留巷探測”剖面成果圖

2) “留巷探測”的經(jīng)濟性。

以1 500 m掘進巷道超前探測為例，對“短掘短探”與“留巷探測”的工程量加以對比分析。對“短掘短探”鉆探施工量，按照100 m探測一次，留30 m超前距,一次施工3個鉆孔計算，短探工作量為1 500÷(100-30)×100×3=6 429 m；留巷探測工程量為1 000×3+500×3+300=4 800 m.從工程量計算來看，工作面越長，留巷探測的鉆探工程量越小?！傲粝锾綔y”時鉆機搬運次數(shù)遠小于“短掘短探”的鉆機搬運次數(shù)。因此“留巷探測”比“短掘短探”經(jīng)濟，成本低。

3) “留巷探測”的準確性。

“留巷探測”采用定向鉆孔施工，能準確掌握鉆孔軌跡，軌跡可控，可調整，鉆孔精度高，無盲區(qū)，目標層位鉆遇率高，煤巖分辨率高，對構造的范圍圈定更準確。

5 結 語

沙曲一號煤礦近年來推廣應用了切頂留巷工藝，創(chuàng)造了留巷探測的時間和空間，在留巷工作面對相鄰掘進工作面實行超前鉆探和物探，實現(xiàn)了探掘地點的分離，能一次性完成整條巷道的探測，一次性提供整條巷道的預想剖面圖，提供了準確及完整的地質信息。留巷探測克服了打鉆與掘進在施工時間和空間上的矛盾，為巷道連續(xù)掘進提供了充足的時間。