深井複雜水文條件下快速掘進的探索與應用

摘　要　

本文針對鄆城煤礦進入煤係地層後，在首采麵掘進巷道中煤岩鬆散破碎、富水性強、溫度高、濕度大、小斷層極發育、礦壓顯現等特點,03manbetx 研究了影響綜掘巷道快速掘進的相關因素,並製定加快工程快速掘進的技術方案，在保證了施工安全和工程支護質量的前提下,提高了單進效率。

關鍵詞　快速掘進方案斷層高溫　富水

一、工程概況

山東省鄆城煤礦首采麵位於一采區-810～-890m水平，巷道揭露煤層為二迭係下統山西組的3煤層，主要以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤及絲炭條帶，屬半暗～半亮型煤。工作麵掘進範圍內煤層走向：10～50°，傾向：100～140°，傾角：2～15°，平均傾角9°，煤層厚度6.63m，走向長度1990m，傾斜長度100m，麵積199000m²。

地麵位置：工作麵北部以西為李樓村，工作麵東部為向陽河，工作麵上方主要為大片農田、植被為主，並有零星分布的民房和數眼機井；井下位置：北為一采區輔助軌道巷、一采區軌道巷、一采區膠帶巷、一采區回風巷四條大巷。

首采麵3煤層賦存穩定，厚度變化小。3煤層結構簡單，含一層夾矸厚度0.14m。3煤層均以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤及絲炭條帶，屬半暗～半亮型煤；3煤頂板砂岩抗壓強度實驗值為54～77.2MPa，數字測井強度指數為30～80MPa，屬中等～穩定岩體，普氏硬度係數f＝6.3；3煤頂板泥質砂岩、砂質泥岩強度指數為20～42MPa，平均31 MPa，普氏硬度係數f＝3.2，屬中等～穩定岩體。

圖1 3煤層綜合柱狀圖

二、技術難點：

首采麵在采用綜合機械化快速掘進時存在以下難點：

1、地質條件複雜，巷道構造多，揭露斷層多，裂隙發育好。

2、巷道湧水量大，掘進期間淋水大，支護困難。

3、煤層及頂底板均較為破碎，巷道掘進成型難，巷道礦壓顯現明顯，煤炮不斷。

4、隨著開采深度的增加，地溫增加，水溫達到40℃，造成巷道溫度高、濕度大。

5、由炮掘工藝轉型為先進的綜合機械化綜掘工藝，技術及管理難度大。

為使企業依靠科技，走集約化發展之路，在深井複雜水文地質條件下，積極尋找適合鄆城煤礦的綜合機械化快速掘進成套工藝與技術，在深井複雜條件下安全、快速掘進，為今後提高安全掘進水平進行了有益探索。

三、影響因素及治理方案

（一）、水文地質及治理方案

根據區域水文地質資料，結合本井田鑽孔實際揭露水文地質資料03manbetx ，本工作麵含水層自上而下主要有第四係砂礫層、新近係砂層、山西組3煤層頂底板砂岩、太原組三灰、十灰、奧陶係灰岩等含水層，其中對巷道掘進有影響的含水層主要為3煤層頂底板砂岩。3砂富水性差異較大，局部地段補給條件好、富水性較強。3砂為3煤層直接充水含水層，局部裂隙發育地段或受斷層影響，可能將上覆含水層水導入掘進工作麵，影響巷道快速掘進。預計工作麵兩個順槽掘進過程中正常湧水量 400m3 /h，最大湧水量600m3/h。

該區3煤進行過三維地震勘探，地質構造已基本控製：該區域地質構造複雜，小斷層極發育。本區位於寬緩背斜東翼，走向NE—SW，傾向NS，煤層下伏角度平均為3°，受斷層構造影響，局部產狀變化大。影響巷道掘進的斷層主要有八裏莊支四斷層、東部FY15、八裏莊支四—1斷層。此外，施工中揭露其它隱伏小斷層，和不均勻塌陷造成的假斷層，影響巷道快速掘進。

治理方案：

1、防治水治理方案：

（1）首采麵上下順槽掘進施工過程中，每隔120m施工一個鑽機窩，上下順槽間隔布置，在鑽機窩內首先施工掩護順槽掘進施工的放水孔，再施工對整個工作麵3砂含水層、三灰含水層的放水孔，有效的掩護了首采麵兩個順槽安全快速施工。

（2）建立健全了水害防治崗位責任製、水害防治技術管理、水害預測與預報製度、水害隱患排查治理製度、安全生產聯係製度、地測防治水工程質量02manbetx.com 03manbetx 及獎懲製度等防治水工作製度，並按照製度嚴格落實。

（3）設置了防治水專職副總，配備了滿足工作需要的防治水專業技術人員，現有防治水專業技術人員5人。配齊了專用探放水設備，現有探放水鑽機6台套，有專門的探放水作業隊伍，裝備了必要的防治水搶險救災設備。探放水工按照要求進行了培訓，並做到了持證上崗。

（4）編製完成了防治水中長期規劃、年度防治水計劃，並嚴格按照計劃落實。根據礦井年度、季度、月度生產作業計劃，及時進行了水情水害預測預報工作，指導巷道掘進施工。

（5）堅持 “預測預報、有疑必探、先探後掘、先治後采”的防治水原則及“防、堵、疏、排、截”綜合治理措施。對掘進巷道施工前方受3砂水、三灰水、裂隙水、斷層水威脅的區域進行了探放水工程施工。

2、特殊地質條件治理方案：

（1）施工前首先摸清所掘巷道的水文地質情況、地質構造情況，對施工中所要穿過的構造帶、裂隙帶、水、瓦斯等情況做出預測和03manbetx 。根據所掌握的地質資料，及時製定具體的施工方案與專項安全技術措施。

（2）掘進施工中必須堅持“逢掘必探，先探後掘”的原則。利用探放水的鑽孔、鑽屑法探煤粉的鑽孔進行綜合分析，確定前方斷層的準確位置，斷層的落差、走向及前方水文地質情況。

（3）斷層前後各5米及過斷層區域，必須加強支護，縮小錨杆、錨索間排距，錨杆、錨索緊跟迎頭。

（4）對地質構造複雜，圍岩非常破碎的頂板，綜掘每循環掘進進尺縮小至1米。

（5）圍岩（煤）破碎時，巷道采用瘦斷麵切割，配合風手鎬掘進。必要時采用風手鎬掘進施工。

（6）圍岩破碎難以控製時，掘進施工前先施打超前錨杆和超前鋼管，控製巷道頂板。超前鋼管間距不超過250mm。

（7）巷道順向增加錨索配T型鋼帶或增加梯型棚加強支護。架棚加固巷道，掘進施工一次成巷，嚴格執行“短掘短支”，棚緊跟迎頭。

（8）圍岩破碎，迎臉麵片落，每循環要對迎臉及時進行錨網支護。

（9）過斷層麵時，增加超前前探錨索，確保錨索錨入斷層的另一盤。

（10）根據斷層落差及時增加錨索長度，確保錨索錨入砂岩穩定層位不少於1.2米。

（11）圍岩破碎時，要減少圍岩暴露麵積和頂板空頂時間，及時進行錨網支護。

（二）、衝擊地壓及治理方案

衝擊地壓是世界範圍內所有煤礦內最嚴重的自然災害之一，災害是以突然、急劇、猛烈的形式釋放煤岩體變形能，煤岩體被拋出，造成支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞、傷及人員，並產生巨大的聲響和岩體振動，震動的時間從幾秒到幾十秒，衝出的煤岩從幾頓到幾百噸，隨著煤礦開采深度的增加，衝擊地壓災害越來越嚴重，已經成為製約煤礦安全生產的重大災害之一。

綜合首采麵地質資料和工作麵巷道掘進的施工條件，誘發首采工作麵巷道掘進期間衝擊地壓的機理主要有以下幾個方麵，且這些因素組合在一起，相互作用。

1、高地應力與構造應力共同作用於整個工作麵範圍，增大掘進迎頭位置的衝擊危險及成型巷道的支護難度；

2、掘進迎頭超前應力與斷層、褶曲構造應力疊加誘發的衝擊；

3、相向掘進（貫通）導致超前應力疊加誘發衝擊；

4、煤岩交界處存在的高應力在揭露煤層時誘發衝擊。

以上各因素引起的衝擊危險區合成後，將這些危險區域劃分為三類，綠色代表一般危險區，黃色代表中度危險區，紅色代表高度危險區，危險區和危險程度如下圖所示：

衝擊地壓危險性評價的主要結論

由於1300掘進工作麵綜合地質條件較為複雜，工作麵區域內存在褶曲及斷層，上覆頂板存在厚層堅硬岩梁，工作麵兩側切眼附近被大斷層環繞，總體上1300工作麵在掘進期間存在較大衝擊危險性。

根據宏觀評價結果，1300工作麵綜合指數為0.68，屬於中等衝擊危險性。衝擊地壓發生的可能性指數，可判斷出該麵具備了發生衝擊地壓的應力條件，特別是在掘進頭接近斷層時，如果不提前采取防治措施，具有發生衝擊地壓的危險。

根據工作麵衝擊地壓危險性的多因素耦合評價，1300工作麵在掘進期間具有中等衝擊地壓危險性，危險區域劃分為：一般危險區域2個、中度危險區域2個和高度危險區4個。

高度衝擊危險區域內除了做好防衝工作外，還要加強成型巷道的支護。

在掘進頭向斷層方向或靠近斷層方向掘進時，超前應力與斷層的構造應力發生疊加，增強了衝擊危險性；措施：迎頭距斷層40米時，先用3個直徑110-120mm的鑽孔打穿高應力區，驗證無衝擊危險後，方可掘進。

兩側掘進頭相向貫通前，在相向掘進巷道距貫通點還有100m時，需要暫停其中一方的掘進工作，不得雙向對掘。距貫通點還有40m時，先用3個直徑110-120mm的鑽孔在貫通煤柱兩側各施工20m卸壓孔，打穿高應力區，驗證無衝擊危險後，方可掘進。掘進期間每個圓班必須對工作麵、巷道兩幫及貫通點位置使用鑽屑法進行一次煤粉量檢測，檢測孔采用手持氣動鑽機施工，工作麵及貫通點檢測孔數量各施工1個，兩幫各施工一個，檢測孔深度為12m，最大煤粉量臨界值定為4Kg/m。

相變區域（如火成岩侵入處）存在較高的應力，在掘進和正常使用階段，都是防衝的重點地段。措施：超前探測與卸壓，預裂煤底板，並加強煤岩交界處支護（可架棚與錨網聯合）。

所有底煤厚度大於1米的地段為高度危險區。措施：預裂煤底板。

進一步優化巷道支護參數，提高支護強度。

衝擊危險區治理措施

（1）采用煤層注水技術進行衝擊地壓防範；

（2）對於中度危險區及監測到的動態危險區，實施煤層大直徑鑽孔卸壓和解危。

（3）巷道掘進期間采用衝擊地壓監測係統，並結合鑽屑法，對危險區的治理進行檢驗。

（4）當巷道底板底臌嚴重或底板留底煤厚度超過 1m 時，實施爆破斷底卸壓措施。

（三）、高溫及治理措施

隨著礦井開采深度的增加，其熱害問題越來越明顯，並危及煤礦的安全高效開采，是礦井生產環境中存在的職業性有害因素之一．高溫作業環境不但極大消耗職工的體力而且還降低職工的勞動效率，影響著職工的身心健康．直接導致快速掘進效率的降低。

熱源：主要來自圍岩散熱、熱水散熱、機械設備散熱、煤岩運輸散熱，其中圍岩散熱占絕對優勢。

治理措施：

1、通風降溫：

目前礦井需風量為9200m³/min，進風量為10372m³/min左右，進風量充足。掘進工作麵通風的主要目的是把盡可能多的風量送到掘進工作麵的迎頭，雖然增風降溫效果不明顯，但可大大提高人體的舒適度。

（1）首采麵增設雙風機、雙風筒進行供風，增大風量，提高風速進行降溫。

（2）對勞動強度較高以及鑽機窩施工地點開設風袖，降低作業地點溫度。

（3）每班對掘進工作麵全斷麵全程灑水降溫，每天對主要進風巷進行全斷麵灑水降溫。

（4）對掘進工作麵回風流全段麵淨化水幕（綜掘機後方50-100米）常開降低回風溫度。

2、治水降溫

（1）對綜掘機前方迎頭段，巷道淋水以及迎頭出水點要集中排放，並在綜掘機前方合適位置挖設臨時水泵窩，及時抽排，確保迎頭前方底板無積水現象。

（2）對綜掘機後方所有淋水點安設防雨棚，淋水區域段要全斷麵敷設防雨棚、收水裝置，淋水直接入水溝內，減少淋水蒸發產生熱源。

（3）采取隔絕封閉法對排水係統的熱源進行隔絕。

①將明水溝改為暗水溝，減少熱水對巷道空氣的散熱量，研究資料表明，在高溫礦井中，空氣中的相對濕度降低1.7％，等於風溫降低0.7％。

②將高溫排水管設於回風巷。

③采取隔熱材料，減少熱源與礦井空氣的輻射及對流散熱形成的熱量。

3、製冷降溫方案:

針對目前鄆城煤礦井下熱害情況進行分析，選用ZLF-450型礦用製冷裝置，采用冷凝水降低風筒進風流溫度的方式，將掘進工作麵迎頭溫度降低3~5度，實現了對掘進工作麵大幅度降溫的方案。

製冷原理：空氣冷卻所需的製冷能力由ZLF-450型礦用製冷裝置提供，其安裝有活塞壓縮機，采用R 407c 作為製冷劑。該係統按照逆卡諾循環過程運行。在蒸發器中，製冷劑有濕蒸氣狀態吸熱轉換成飽和蒸氣狀態，相態變化所需的熱量從經蒸發器的空氣流獲得，降低流經空氣溫度，經過壓縮，然後被輸入冷凝器，冷凝器中氣態的製冷劑在高壓作用下有冷卻循環水吸熱被液化。冷凝器重釋放的熱量傳遞給流經冷凝器中的冷卻水，被加熱的冷卻水通過管路排放到水溝中去。在高壓的條件下，液態製冷劑降壓膨脹為濕蒸氣輸入蒸發器中，通過膨脹，該製冷劑回複到原來蒸發的溫度，並可以再次蒸發。製冷劑在蒸發過程中冷卻油局部通風機吹進蒸發器的風流，通過風筒送至工作麵，蒸發器入口風溫與出口風溫可降到10度左右，大幅度降低掘進工作麵溫度的目的。其係統流程如圖所示：

製冷效果：使用2*45kw風機供風（供風量為650~ 700m3 /min）。製冷機在正常運轉24h後，測量巷道空氣溫度、濕度有了明顯的下降，風筒出口溫度在27度左後。

礦井高溫高濕的作業環境，對掘進效率、職工身體健康產生了巨大的影響，通過采用通風降溫、噴水降溫、隔絕熱源、製冷降溫等綜合治理技術，有效治理了鄆城煤礦高溫高濕的作業環境，保護了礦工身體健康，為礦井安全快速掘進提供了依據，為治理礦井高溫、高濕環境提供了經驗。

四、綜掘快速掘進技術

（一）、施工設備

1、綜掘機選型：

綜掘機選型必須適應巷道斷麵，煤岩強度要求，做到機身結構緊湊，體積適中；機器截割功率足夠大，強度高，設備運行可靠，配件供應及時，維修量小且方便等。另外綜掘機選型還要與生產係統、各工序裝備之間有效銜接，達到安全快掘的目的。

結合以上要求選擇EBZ-200型掘進機。

2、輔助運輸設備：

表一

3、支護設備：

表二

（二）、掘進技術

1、巷道截割技術

（1）沿煤層底板施工時，選擇煤層傾向平行的巷道斷麵，以保證煤層層理不被破壞，以免破壞層理後巷道掉頂，影響掘進效率。如圖（a）所示。

圖（a）

附圖2綜掘機快速截割示意圖

2、施工工藝優化

交接班前（上一班給下一班留出2排架子，）——交接班後（下一班上分層掘進2米）——拖架子2排（與迎頭頂板支護同步）——上分層掘進2米——頂板支護2米——後退綜掘機——下分層清底4排——上下分層同時支護兩幫。

為保障迎頭錨杆、索供水、供風需要，風水管路緊跟至綜掘機二運處。

施工工藝與時間得到充分利用，做到不窩工，采用瘦斷麵切割法達到一次成巷。

3、支護形式優化

以停采線為分界線，停采線以前采用錨網索噴+T型鋼帶支護，巷道全斷麵鋪設φ6金屬網，頂板采用高強左旋螺紋鋼錨杆+T型鋼帶+錨索進行支護，巷道兩幫采用等強無縱筋右旋螺紋鋼樹脂錨杆+鋼筋梯進行支護；停采線以後采用錨網索梯+W型鋼帶支護，巷道頂板鋪設雙層網（φ6金屬網和雙抗網），頂板采用高強左旋螺紋鋼錨杆+W型鋼帶+錨索進行支護；巷道兩幫鋪設雙抗網，采用等強無縱筋右旋螺紋鋼樹脂錨杆+鋼筋梯進行支護。

支護形式優化後，巷道變形量得到控製，不再進行巷道後方返修工作。

4、運輸係統改造

（1）運料係統改造：

原運料係統：由40kw對拉絞車將材料運至工作麵。

存在問題：由於巷道坡度起伏大，安全係數低，運料速度慢。

改造後：由單軌吊車進行運輸，大大提高了運輸的安全係數和運輸效率。

（2）煤矸係統改造：

原出煤矸係統：皮帶配礦車將煤矸提升至地麵。

存在問題：運輸路線長，礦車供應不及時，煤矸無法及時運出，影響掘進效率。

改造後：由於主運係統未形成，在軌道大巷與首采麵交接處施工一溜煤眼，作為臨時煤倉，改造為煤矸經皮帶直接運至臨時煤倉內，再由礦車拉至副井，提升至地麵，解決了礦車供應不及時的問題。

5、綜掘勞動組織優化

首采麵由1名副區長；3名驗收員；三個掘進班組：3名班長、3名迎頭副班長；1個輔助班。

首采麵采用“三八”製作業；每班在冊人員19人，平均每班出勤16人。

副區長負責本工作麵的全麵工作。

每班1名驗收員跟班，負責本工作麵的全麵協調，包括安全、質量標準化、工作量考核等工作。

每班1名班長全麵負責迎頭掘進生產組織、後方輔助工作及人員、工作量分配工作。

每班1名迎頭副班長全麵負責迎頭的掘進生產，確保保質保量完成本班工作量。

輔助班主要負責材料運輸及皮帶運輸工作。

機電工區負責巷道內掘進機、皮帶等設備運轉、檢修、維護保養工作以便保障迎頭正常掘進。

製定勞動組織責任體係後，人員全部優化分開，各負其責，做到了定人、定員，正規有序。

五、結束語

實踐證明，在煤巷快速掘進過程中，高科技設備、綜合機械化掘進技術有著不可替代的作用，一方麵，它對煤巷綜掘機械化水平的提高有了很大的促進作用，推動煤巷快速掘進技術的快速發展，同時，綜合機械化快速掘進施工技術的推廣應用，提高了掘進效率和施工質量，隨著快速掘進技術的不斷更新發展，煤礦企業還應不斷提高自身的煤巷快速掘進水平，從而為煤礦企業取得更高的經濟效益和社會效益。

六、參考文獻

[1]鄆城煤礦1300掘進工作麵衝擊危險性評價及防治技術研究報告，北京科技大學，2013,5

[2]山東省巨野煤田鄆城井田勘探報告山東裏能集團2005,8

[3]王彩根等軟岩巷道合理支護強度的研究岩石力學與工程學報1995年2月第17卷第l期

[4]包正明等深井軟岩支護新技術的研究與實踐煤炭技術2008年9月第27卷第9期

[5]王瑞濤等複合支護技術在軟岩段巷道中的應用山東煤炭科技2008年第6期