深井复杂水文条件下快速掘进的探索与应用

 

 

摘　要　

本文针对郓城煤矿进入煤系地层后，在首采面掘进巷道中煤岩松散破碎、富水性强、温度高、湿度大、小断层极发育、矿压显现等特点,分析研究了影响综掘巷道快速掘进的相关因素,并制定加快工程快速掘进的技术方案，在保证了施工安全和工程支护质量的前提下,提高了单进效率。

关键词　快速掘进  方案  断层  高温　富水

一、工程概况

山东省郓城煤矿首采面位于一采区-810～-890m水平，巷道揭露煤层为二迭系下统山西组的3煤层，主要以亮煤、暗煤为主，夹少量镜煤及丝炭条带，属半暗～半亮型煤。工作面掘进范围内煤层走向：10～50°，倾向：100～140°，倾角：2～15°，平均倾角9°，煤层厚度6.63m，走向长度1990m，倾斜长度100m，面积199000m²。

地面位置：工作面北部以西为李楼村，工作面东部为向阳河，工作面上方主要为大片农田、植被为主，并有零星分布的民房和数眼机井；井下位置：北为一采区辅助轨道巷、一采区轨道巷、一采区胶带巷、一采区回风巷四条大巷。

首采面3煤层赋存稳定，厚度变化小。 3煤层结构简单，含一层夹矸厚度0.14m。3煤层均以亮煤、暗煤为主，夹少量镜煤及丝炭条带，属半暗～半亮型煤；3煤顶板砂岩抗压强度实验值为54～77.2MPa，数字测井强度指数为30～80MPa，属中等～稳定岩体，普氏硬度系数f＝6.3；3煤顶板泥质砂岩、砂质泥岩强度指数为20～42MPa，平均31 MPa，普氏硬度系数f＝3.2，属中等～稳定岩体。

 

 

 

 

 

 

 

      图1  3煤层综合柱状图

二、技术难点：

首采面在采用综合机械化快速掘进时存在以下难点：

1、地质条件复杂，巷道构造多，揭露断层多，裂隙发育好。

2、巷道涌水量大，掘进期间淋水大，支护困难。

3、煤层及顶底板均较为破碎，巷道掘进成型难，巷道矿压显现明显，煤炮不断。

4、随着开采深度的增加，地温增加，水温达到40℃，造成巷道温度高、湿度大。

5、由炮掘工艺转型为先进的综合机械化综掘工艺，技术及管理难度大。

为使企业依靠科技，走集约化发展之路，在深井复杂水文地质条件下，积极寻找适合郓城煤矿的综合机械化快速掘进成套工艺与技术，在深井复杂条件下安全、快速掘进，为今后提高安全掘进水平进行了有益探索。

三、影响因素及治理方案

（一）、水文地质及治理方案

根据区域水文地质资料，结合本井田钻孔实际揭露水文地质资料分析，本工作面含水层自上而下主要有第四系砂砾层、新近系砂层、山西组3煤层顶底板砂岩、太原组三灰、十灰、奥陶系灰岩等含水层，其中对巷道掘进有影响的含水层主要为3煤层顶底板砂岩。3砂富水性差异较大，局部地段补给条件好、富水性较强。3砂为3煤层直接充水含水层，局部裂隙发育地段或受断层影响，可能将上覆含水层水导入掘进工作面，影响巷道快速掘进。预计工作面两个顺槽掘进过程中正常涌水量400m3/h，最大涌水量600m3/h。

该区3煤进行过三维地震勘探，地质构造已基本控制：该区域地质构造复杂，小断层极发育。本区位于宽缓背斜东翼，走向NE—SW，倾向NS，煤层下伏角度平均为3°，受断层构造影响，局部产状变化大。影响巷道掘进的断层主要有八里庄支四断层、东部FY15、八里庄支四—1断层。此外，施工中揭露其它隐伏小断层，和不均匀塌陷造成的假断层，影响巷道快速掘进。

治理方案：

1、防治水治理方案：

（1）首采面上下顺槽掘进施工过程中，每隔120m施工一个钻机窝，上下顺槽间隔布置，在钻机窝内首先施工掩护顺槽掘进施工的放水孔，再施工对整个工作面3砂含水层、三灰含水层的放水孔，有效的掩护了首采面两个顺槽安全快速施工。

（2）建立健全了水害防治岗位责任制、水害防治技术管理、水害预测与预报制度、水害隐患排查治理制度、安全生产联系制度、地测防治水工程质量事故分析及奖惩制度等防治水工作制度，并按照制度严格落实。

（3）设置了防治水专职副总，配备了满足工作需要的防治水专业技术人员，现有防治水专业技术人员5人。配齐了专用探放水设备，现有探放水钻机6台套，有专门的探放水作业队伍，装备了必要的防治水抢险救灾设备。探放水工按照要求进行了培训，并做到了持证上岗。

（4）编制完成了防治水中长期规划、年度防治水计划，并严格按照计划落实。根据矿井年度、季度、月度生产作业计划，及时进行了水情水害预测预报工作，指导巷道掘进施工。

（5）坚持 “预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则及“防、堵、疏、排、截”综合治理措施。对掘进巷道施工前方受3砂水、三灰水、裂隙水、断层水威胁的区域进行了探放水工程施工。

2、特殊地质条件治理方案：

（1）施工前首先摸清所掘巷道的水文地质情况、地质构造情况，对施工中所要穿过的构造带、裂隙带、水、瓦斯等情况做出预测和分析。根据所掌握的地质资料，及时制定具体的施工方案与专项安全技术措施。

（2）掘进施工中必须坚持“逢掘必探，先探后掘”的原则。利用探放水的钻孔、钻屑法探煤粉的钻孔进行综合分析，确定前方断层的准确位置，断层的落差、走向及前方水文地质情况。

（3）断层前后各5米及过断层区域，必须加强支护，缩小锚杆、锚索间排距，锚杆、锚索紧跟迎头。

（4）对地质构造复杂，围岩非常破碎的顶板，综掘每循环掘进进尺缩小至1米。

（5）围岩（煤）破碎时，巷道采用瘦断面切割，配合风手镐掘进。必要时采用风手镐掘进施工。

（6）围岩破碎难以控制时，掘进施工前先施打超前锚杆和超前钢管，控制巷道顶板。超前钢管间距不超过250mm。

（7）巷道顺向增加锚索配T型钢带或增加梯型棚加强支护。架棚加固巷道，掘进施工一次成巷，严格执行“短掘短支”，棚紧跟迎头。

（8）围岩破碎，迎脸面片落，每循环要对迎脸及时进行锚网支护。

（9）过断层面时，增加超前前探锚索，确保锚索锚入断层的另一盘。

（10）根据断层落差及时增加锚索长度，确保锚索锚入砂岩稳定层位不少于1.2米。

（11）围岩破碎时，要减少围岩暴露面积和顶板空顶时间，及时进行锚网支护。

（二）、冲击地压及治理方案

冲击地压是世界范围内所有煤矿内最严重的自然灾害之一，灾害是以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩体变形能，煤岩体被抛出，造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并产生巨大的声响和岩体振动，震动的时间从几秒到几十秒，冲出的煤岩从几顿到几百吨，随着煤矿开采深度的增加，冲击地压灾害越来越严重，已经成为制约煤矿安全生产的重大灾害之一。

综合首采面地质资料和工作面巷道掘进的施工条件，诱发首采工作面巷道掘进期间冲击地压的机理主要有以下几个方面，且这些因素组合在一起，相互作用。

1、高地应力与构造应力共同作用于整个工作面范围，增大掘进迎头位置的冲击危险及成型巷道的支护难度；

2、掘进迎头超前应力与断层、褶曲构造应力叠加诱发的冲击；

3、相向掘进（贯通）导致超前应力叠加诱发冲击；

4、煤岩交界处存在的高应力在揭露煤层时诱发冲击。

以上各因素引起的冲击危险区合成后，将这些危险区域划分为三类，绿色代表一般危险区，黄色代表中度危险区，红色代表高度危险区，危险区和危险程度如下图所示：

冲击地压危险性评价的主要结论

由于1300掘进工作面综合地质条件较为复杂，工作面区域内存在褶曲及断层，上覆顶板存在厚层坚硬岩梁，工作面两侧切眼附近被大断层环绕，总体上1300工作面在掘进期间存在较大冲击危险性。

根据宏观评价结果，1300工作面综合指数为0.68，属于中等冲击危险性。冲击地压发生的可能性指数，可判断出该面具备了发生冲击地压的应力条件，特别是在掘进头接近断层时，如果不提前采取防治措施，具有发生冲击地压的危险。

根据工作面冲击地压危险性的多因素耦合评价，1300工作面在掘进期间具有中等冲击地压危险性，危险区域划分为：一般危险区域2个、中度危险区域2个和高度危险区4个。

高度冲击危险区域内除了做好防冲工作外，还要加强成型巷道的支护。

在掘进头向断层方向或靠近断层方向掘进时，超前应力与断层的构造应力发生叠加，增强了冲击危险性；措施：迎头距断层40米时，先用3个直径110-120mm的钻孔打穿高应力区，验证无冲击危险后，方可掘进。

两侧掘进头相向贯通前，在相向掘进巷道距贯通点还有100m时，需要暂停其中一方的掘进工作，不得双向对掘。距贯通点还有40m时，先用3个直径110-120mm的钻孔在贯通煤柱两侧各施工20m卸压孔，打穿高应力区，验证无冲击危险后，方可掘进。掘进期间每个圆班必须对工作面、巷道两帮及贯通点位置使用钻屑法进行一次煤粉量检测，检测孔采用手持气动钻机施工，工作面及贯通点检测孔数量各施工1个，两帮各施工一个，检测孔深度为12m，最大煤粉量临界值定为4Kg/m。

相变区域（如火成岩侵入处）存在较高的应力，在掘进和正常使用阶段，都是防冲的重点地段。措施：超前探测与卸压，预裂煤底板，并加强煤岩交界处支护（可架棚与锚网联合）。

所有底煤厚度大于1米的地段为高度危险区。措施：预裂煤底板。

进一步优化巷道支护参数，提高支护强度。

冲击危险区治理措施

（1）采用煤层注水技术进行冲击地压防范；

（2）对于中度危险区及监测到的动态危险区，实施煤层大直径钻孔卸压和解危。

（3）巷道掘进期间采用冲击地压监测系统，并结合钻屑法，对危险区的治理进行检验。

（4）当巷道底板底臌严重或底板留底煤厚度超过1m时，实施爆破断底卸压措施。

（三）、高温及治理措施

随着矿井开采深度的增加，其热害问题越来越明显，并危及煤矿的安全高效开采，是矿井生产环境中存在的职业性有害因素之一．高温作业环境不但极大消耗职工的体力而且还降低职工的劳动效率，影响着职工的身心健康．直接导致快速掘进效率的降低。

热源：主要来自围岩散热、热水散热、机械设备散热、煤岩运输散热，其中围岩散热占绝对优势。

治理措施：

1、通风降温：

目前矿井需风量为9200m³/min，进风量为10372m³/min左右，进风量充足。掘进工作面通风的主要目的是把尽可能多的风量送到掘进工作面的迎头，虽然增风降温效果不明显，但可大大提高人体的舒适度。

（1）首采面增设双风机、双风筒进行供风，增大风量，提高风速进行降温。

（2）对劳动强度较高以及钻机窝施工地点开设风袖，降低作业地点温度。

（3）每班对掘进工作面全断面全程洒水降温，每天对主要进风巷进行全断面洒水降温。

（4）对掘进工作面回风流全段面净化水幕（综掘机后方50-100米）常开降低回风温度。

2、治水降温

（1）对综掘机前方迎头段，巷道淋水以及迎头出水点要集中排放，并在综掘机前方合适位置挖设临时水泵窝，及时抽排，确保迎头前方底板无积水现象。

（2）对综掘机后方所有淋水点安设防雨棚，淋水区域段要全断面敷设防雨棚、收水装置，淋水直接入水沟内，减少淋水蒸发产生热源。

（3）采取隔绝封闭法对排水系统的热源进行隔绝。

①将明水沟改为暗水沟，减少热水对巷道空气的散热量，研究资料表明，在高温矿井中，空气中的相对湿度降低1.7％，等于风温降低0.7％。

②将高温排水管设于回风巷。

③采取隔热材料，减少热源与矿井空气的辐射及对流散热形成的热量。

3、制冷降温方案:

针对目前郓城煤矿井下热害情况进行分析，选用ZLF-450型矿用制冷装置，采用冷凝水降低风筒进风流温度的方式，将掘进工作面迎头温度降低3~5度，实现了对掘进工作面大幅度降温的方案。

制冷原理：空气冷却所需的制冷能力由ZLF-450 型矿用制冷装置提供，其安装有活塞压缩机，采用R407c作为制冷剂。该系统按照逆卡诺循环过程运行。在蒸发器中，制冷剂有湿蒸气状态吸热转换成饱和蒸气状态，相态变化所需的热量从经蒸发器的空气流获得，降低流经空气温度，经过压缩，然后被输入冷凝器，冷凝器中气态的制冷剂在高压作用下有冷却循环水吸热被液化。冷凝器重释放的热量传递给流经冷凝器中的冷却水，被加热的冷却水通过管路排放到水沟中去。在高压的条件下，液态制冷剂降压膨胀为湿蒸气输入蒸发器中，通过膨胀，该制冷剂回复到原来蒸发的温度，并可以再次蒸发。制冷剂在蒸发过程中冷却油局部通风机吹进蒸发器的风流，通过风筒送至工作面，蒸发器入口风温与出口风温可降到10度左右，大幅度降低掘进工作面温度的目的。其系统流程如图所示：

制冷效果：使用2*45kw风机供风（供风量为650~700m3/min）。制冷机在正常运转24h后，测量巷道空气温度、湿度有了明显的下降，风筒出口温度在27度左后。

矿井高温高湿的作业环境，对掘进效率、职工身体健康产生了巨大的影响，通过采用通风降温、喷水降温、隔绝热源、制冷降温等综合治理技术，有效治理了郓城煤矿高温高湿的作业环境，保护了矿工身体健康，为矿井安全快速掘进提供了依据，为治理矿井高温、高湿环境提供了经验。

四、综掘快速掘进技术

（一）、施工设备

1、综掘机选型：

综掘机选型必须适应巷道断面，煤岩强度要求，做到机身结构紧凑，体积适中；机器截割功率足够大，强度高，设备运行可靠，配件供应及时，维修量小且方便等。另外综掘机选型还要与生产系统、各工序装备之间有效衔接，达到安全快掘的目的。

结合以上要求选择EBZ-200型掘进机。

2、辅助运输设备：

表一

3、支护设备：

表二

 

（二）、掘进技术

1、巷道截割技术

（1）沿煤层底板施工时，选择煤层倾向平行的巷道断面，以保证煤层层理不被破坏，以免破坏层理后巷道掉顶，影响掘进效率。如图（a）所示。

 

 

                   图（a）

            附图2综掘机快速截割示意图

2、施工工艺优化

交接班前（上一班给下一班留出2排架子，）——交接班后（下一班上分层掘进2米）——拖架子2排（与迎头顶板支护同步）——上分层掘进2米——顶板支护2米——后退综掘机——下分层清底4排——上下分层同时支护两帮。

为保障迎头锚杆、索供水、供风需要，风水管路紧跟至综掘机二运处。

施工工艺与时间得到充分利用，做到不窝工，采用瘦断面切割法达到一次成巷。

3、支护形式优化

以停采线为分界线，停采线以前采用锚网索喷+T型钢带支护，巷道全断面铺设φ6金属网，顶板采用高强左旋螺纹钢锚杆+T型钢带+锚索进行支护，巷道两帮采用等强无纵筋右旋螺纹钢树脂锚杆+钢筋梯进行支护；停采线以后采用锚网索梯+W型钢带支护，巷道顶板铺设双层网（φ6金属网和双抗网），顶板采用高强左旋螺纹钢锚杆+W型钢带+锚索进行支护；巷道两帮铺设双抗网，采用等强无纵筋右旋螺纹钢树脂锚杆+钢筋梯进行支护。

支护形式优化后，巷道变形量得到控制，不再进行巷道后方返修工作。

4、运输系统改造

（1）运料系统改造：

原运料系统：由40kw对拉绞车将材料运至工作面。

存在问题：由于巷道坡度起伏大，安全系数低，运料速度慢。

改造后：由单轨吊车进行运输，大大提高了运输的安全系数和运输效率。

（2）煤矸系统改造：

原出煤矸系统：皮带配矿车将煤矸提升至地面。

存在问题：运输路线长，矿车供应不及时，煤矸无法及时运出，影响掘进效率。

改造后：由于主运系统未形成，在轨道大巷与首采面交接处施工一溜煤眼，作为临时煤仓，改造为煤矸经皮带直接运至临时煤仓内，再由矿车拉至副井，提升至地面，解决了矿车供应不及时的问题。

5、综掘劳动组织优化

首采面由1名副区长；3名验收员；三个掘进班组：3名班长、3名迎头副班长；1个辅助班。

首采面采用“三八”制作业；每班在册人员19人，平均每班出勤16人。

副区长负责本工作面的全面工作。

每班1名验收员跟班，负责本工作面的全面协调，包括安全、质量标准化、工作量考核等工作。

每班1名班长全面负责迎头掘进生产组织、后方辅助工作及人员、工作量分配工作。

每班1名迎头副班长全面负责迎头的掘进生产，确保保质保量完成本班工作量。

辅助班主要负责材料运输及皮带运输工作。

机电工区负责巷道内掘进机、皮带等设备运转、检修、维护保养工作以便保障迎头正常掘进。

制定劳动组织责任体系后，人员全部优化分开，各负其责，做到了定人、定员，正规有序。

五、结束语

  实践证明，在煤巷快速掘进过程中，高科技设备、综合机械化掘进技术有着不可替代的作用，一方面，它对煤巷综掘机械化水平的提高有了很大的促进作用，推动煤巷快速掘进技术的快速发展，同时，综合机械化快速掘进施工技术的推广应用，提高了掘进效率和施工质量，随着快速掘进技术的不断更新发展，煤矿企业还应不断提高自身的煤巷快速掘进水平，从而为煤矿企业取得更高的经济效益和社会效益。

六、参考文献

[1]郓城煤矿1300掘进工作面冲击危险性评价及防治技术研究报告，  北京科技大学，2013,5

 [2] 山东省巨野煤田郓城井田勘探报告 山东里能集团  2005,8

 

[3]王彩根等 软岩巷道合理支护强度的研究 岩石力学与工程学报 1995年2月 第17卷第l期

[4]包正明等 深井软岩支护新技术的研究与实践 煤炭技术 2008年9月  第27卷 第9期 

[5]王瑞涛等 复合支护技术在软岩段巷道中的应用  山东煤炭科技  2008年  第6期