掘巷法过火成岩侵入带技术探索_陈尚.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.022掘巷法过火成岩侵入带技术探索陈尚（江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿，江苏 徐州 221616）摘要 火成岩的侵入改变了煤层的结构，造成煤层变薄或缺失，大多在煤层中形成不规则岩墙，严重影响工作面布置和回采。综采工作面遇火成岩侵入带时，一般都采用爆破松动强推或跳面回采方法，造成安全管理环节多、隐患多，工作面不能连续生产、效率低下。采用掘巷法提前掏空火成岩，减少了大规模钻眼爆破、切眼扩刷、拆除搬家等诸多环节，提高了安全可靠程度，避免了资源浪费，保证了工作面的连续安全高效生产。关键词 综采工作面；火成岩；侵入带；掘巷法；连续生产中图分类号TD263.4文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0071-030引言高温岩浆侵入煤层后，引起大范围的炭化变质作用。岩浆的吞噬和替代使煤层残缺不全1，灰分和有害成分增多，煤质下降。火成岩的侵入范围和形状几无规律，大多呈不规则岩墙，不仅造成煤层变薄或缺失，而且常伴生较多的小断层。火成岩的单向抗压强度远高于煤层，超过采煤机的经济截割能力，往往需要爆破松动；如火成岩侵入带影响范围较大，则须重开切眼跳面回采，这就增加了工作面拆除和安装环节。火成岩的侵入改变了综采工作面顶底板岩性，加剧了采场矿压显现2，使工作面顶板不平整、不规则，造成支架支护状况恶化，容易发生歪架、压架和倒架等事故，严重制约综采工作面的安全高效生产。1传统过火成岩方法综采工作面遇火成岩侵入带，根据其赋存情况，一般采用爆破松动强推或跳面回采方法，但存在以下主要问题。（1）安全隐患多。一是采用爆破松动强推时，人员频繁进入煤壁区作业，易发冒顶、片帮和滚矸伤人，工作面内存放、运送和使用爆炸物品风险较大；二是受火成岩侵入影响，采场矿压显现强烈2，工作面支架受力不匀，易发歪架、咬架和倒架事故；三是火成岩顶板坚硬、整体稳定性好、不易自然垮落，易造成采空区大面积悬顶；四是跳面回采时，增加了重开切眼、工作面拆除和安装环节，设备运输、解体、安装等风险大增。（2）管理难度大。当工作面遇火成岩时，采用传统方法时多专业、多工种在同区域、同时段作业，协调任务繁重；爆破飞石充填架间，也极易崩坏设备和电缆管路；工作面推进期间，要时刻调整工作面的方向和坡度，以保证处于合理的层位和倾角。若采用跳采方法，工作面切眼矿刷、拆除和安装等作业时安全管控难度更大。（3）经济效益差。综采工作面钻爆松动推进时，大量硬岩石块进入煤流，对煤质的影响较大；钻眼、爆破制约了工作面的产能发挥，工作面推进慢、产量低。若停采跳面，则需“一拆一安”工作面，不能实现连续生产，并增加了重开切眼、工作面拆除安装等投入。（4）资源浪费多。综采工作面遇火成岩跳面设计新切眼时，要根据火成岩产状、岩性、沿工作面走向和倾向范围、火成岩侵入带与工作面夹角等因素，里面停采线和重开切眼要根据工作面上、下顺槽实际揭露情况，与火成岩间预留一定的安全煤柱，造成较多的煤炭资源浪费。2掘巷法过火成岩侵入带2.1技术关键火成岩一般沿煤层、断层等薄弱处侵入，使煤层的连续性遭到破坏，加大了开采难度。掘巷法过火成岩侵入带技术就是超前探清其赋存情况，沿侵入带掘进大宽巷道，尽可能提前掏空火成岩，为综采工作面正常推进创造条件。其技术关键是“超前探清预先掘巷加强支护回采过巷”。（1）超前探清。在综采工作面上、下顺槽掘进期间揭露火成岩侵入情况的基础上，采取物探、钻探方法等进一步探清火成岩侵入带赋存情况，重点探能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1712023 年 2 月Feb.,2023陈尚掘巷法过火成岩侵入带技术探索查其岩性、厚度、沿走向和倾向范围、对煤层破坏等情况。（2）预先掘巷。掘巷法思路是通过在工作面回采超前压力影响前，沿火成岩侵入带掘进较大宽度的巷道，并在巷道掘进期间，定距离超前和向两帮探清侵入带情况，据此调整巷道掘进方向和坡度。同时采用分时分运的方法来保证煤炭质量，这是掘巷法过火成岩侵入带的核心。掘巷法过火成岩侵入带示意如图 1 所示。图 1掘巷法过火成岩侵入带示意（3）加强支护。火成岩的侵入对采场上覆岩层结构有着较大的改变，随着火成岩厚度的增加，其破断距和厚度也随之增加，在多次采掘扰动影响下，火成岩掘巷和工作面回采过巷期间应力环境较复杂。为保证巷道围岩稳定，掘进时顶板关键部位采用加密锚索加强支护3，工作面过巷期间则以超前维护为主。（4）回采过巷。综采工作面过火成岩掘巷时，除采取正常的过老巷技术外，还应针对火成岩侵入带特性，采取调整方向、超前维护、底炮松动和采高管理等专门措施。2.2火成岩掘巷（1）掘巷时机。随着工作面的推进，巷道围岩压力将大幅增加，峰值时应力集中系数大于 1.5。围岩应力集中导致顶板离层破坏4，为利于巷道掘进和维护，应在采动影响范围以外，完成巷道的掘进、钻探和维护等工作。（2）定距钻探。火成岩侵入带的厚度和宽度变化较大，煤层变薄、分叉或缺失等因素均会影响巷道掘进层位，并对工作面回采带来较大影响。因此，在巷道掘进期间定距超前和向两帮进行钻探，可进一步探清火成岩侵入带的赋存情况。（3）及时调整。考虑到综采工作面过老巷因素，巷道高度与综采工作面采高应保持一致，并尽量加大巷道掘进宽度；同时根据火成岩实际情况，及时调整巷道掘进的方向和坡度，以更好、更大范围地掏空火成岩。（4）加强支护。支护设计时应满足采动影响条件下的支护要求，顶板采用高强高预应力和高密度锚杆、锚索支护，来提高火成岩掘巷的支护强度。两帮支护则采用高强玻璃钢锚杆、木锚杆等便于煤机切割的支护材料，保证工作面安全顺利地通过火成岩掘巷。2.3回采过巷火成岩掘巷施工后，面内大部分火成岩已被掘出，大幅降低了综采工作面过火成岩侵入带和过老巷难度。随着工作面的推进，超前支撑应力对火成岩掘巷作用明显，采动带来的影响使火成岩产生了断裂5，可能造成支架大面积损坏。综采工作面过火成岩掘巷时，可采取以下主要措施。（1）提前调面。根据火成岩掘巷剖面、层位、综采工作面设备和火成岩掘巷与两顺槽的夹角，提前调面，保证工作面与老巷处于同一层位，并严格控制工作面采高和面内一次揭露老巷的长度和范围。（2）超前维护。根据火成岩掘巷表面位移量，顶板下沉和片帮严重时，可采取打单体架棚、背帮柱等维护措施。揭露火成岩掘巷 5 m 前，在老巷及其上下 5 m支架上方铺设金属菱形网，并打出伸缩梁及护帮板，严格控制端面距，空顶部分则用半圆木等料接实。综采工作面过火成岩掘巷示意如图 2 所示。图 2综采工作面过火成岩掘巷示意（3）及时移架。火成岩侵入使煤层变质、部分成为焦炭等较坚硬物质，在火成岩掘巷及上下 5 m 范围，煤机应慢速下行割煤，并带压及时移架、割一架移一架，采用远距离供液、邻架操作，保证支架初撑力，控制好支架状态。（4）松动爆破。从揭露情况看，火成岩坚硬系数远超煤机经济截割能力。火成岩侵入范围较大时，掘巷宽度不能到达其边界，会遗留部分火成岩，此时应跟顶回采，集中时段对火成岩进行超前松动爆破。（5）采空区管理。火成岩侵入带顶板坚硬，工作面移架后采空区顶板较难冒落，容易产生大面积悬顶隐患，应采取水压致裂等积极人工强制放顶措施，且工作面上下顺槽则正常做好锚杆、锚索的退切眼火成岩侵入带火成岩掘巷回风顺槽运输顺槽综采工作面接顶范围火成岩掘巷松动爆破范围722023 年 2 月Feb.,2023锚工作。3工程应用3.1工程概况张双楼煤矿 9121 工作面标高-994.5-918 m，设计走向 1 510 m，工作面面长为 273 m，煤层倾角1824，平均 20，平均煤厚 3.4 m；煤层直接顶为24 m 厚的细砂岩，直接底为厚 6.4 m 的泥岩，上覆7123 面和 7121 面采空区，7、9 煤平均层间距 24 m。9121 综采工作面“三机”为 ZY6800-20/42 型液压支架、MG600/1385-WD 双滚筒煤机和SGZ1000/1050 刮板输送机，工作面采高 3.2 m。运输和回风顺槽揭露火成岩宽度分别为 4 m和 11 m，侵入带与工作面的夹角为 7080，影响走向范围 120 m，火成岩硬度系数大于 9。9121 工作面火成岩侵入带赋存情况如图 3 所示。前期矿压观测资料显示，9121 工作面前方移动支承压力影响范围为 48 m。图 39121 工作面火成岩侵入带赋存示意从 9121 综采工作面揭露火成岩侵入带情况看，无法采用爆破松动、强推硬过方法，而只能重开切眼、跳面回采。为避免工作面拆除和安装工程，多回收煤炭资源，提出了应用掘巷法过火成岩侵入带技术。3.2火成岩掘巷（1）巷道掘进。根据 9121 工作面两顺槽实际揭露火成岩位置，火成岩掘巷与运输顺槽夹角为 75，在巷道掘进过程中，通过钻探情况，及时调整巷道方向和坡度。在施工时间安排上，应充分考虑全岩上山的掘进在超前压力影响前完成，并要预留一定的巷道加固、回收时间。（2）规格断面。火成岩掘巷采用梯形断面，巷道高度与工作面采高一致，宽度视岩性调整、尽量放宽，最大限度地掏掘火成岩，设计断面为净宽净高=5.0 m3.2 m。（3）支护设计。顶板采用 22 mm、长 2 400 mm高强螺纹钢锚杆，间排距为 750 mm800 mm，螺母扭距为 250300 N m，抗拔力为 100 kN，14 mm钢筋托梁和金属菱形网护表；顶板采用双排加密18.9 mm、长 6 250 mm 锚索 加 强 支 护，间 排 距1 500 mm1 600 mm，锚索预紧力为 160200 kN；两帮则采用 36 mm、长 1 600 mm 的木锚杆和双抗塑料网防片帮。（4）定距钻探。每隔 5 m 钻探掘进工作面迎头和两帮火成岩侵入情况，并及时分析，形成钻探成果，标明火成岩侵入带的实际赋存情况，指导巷道掘进和工作面回采。（5）超前维护。火成岩侵入带整体性较好，巷道围岩变形量极小，工作面推进至火成岩掘巷后，在超前应力影响下，局部产生片帮和掉顶现象，超前维护主要是在掉顶处打单体架棚和防片帮柱。3.3应用效果9121 工作面应用掘巷法过火成岩侵入带技术后，在安全、生产和效益等方面均取得了较理想的效果。（1）实现了安全高效生产。工作面内不再大规模地钻眼爆破，避免了切眼扩刷、设备拆除、运输和安装等诸多环节，减少了较多的安全投入，大幅提高了安全可靠程度，保证了工作面的推进度和连续生产。（2）支护效果较理想。在巷道掘进和工作面回采、过老巷期间，未出现大范围的掉顶和片帮现象；顶底板和两帮移近量均不足 100 mm，说明火成岩掘巷采用高强高预应力锚杆、加密锚索加强支护方式较合理，达到有效控制巷道围岩变形的目的。（3）有利于资源回收。采用跳面回采过火成岩侵入带时，工作面将有 150 m 走向不能回采；而采用掘巷法时，多回收煤炭近 18 万 t，提高了资源回收率，缓解了矿井生产接续。（4）大幅降低了劳动强度。减少人工运输、钻眼爆破等工作，避免了工作面设备拆除、组装和安装等工程，过火成岩掘巷时只有少量的接顶、底板松动爆破等工作，降低了工人劳动强度，提高了工效。（5）经济效益可观。采用该技术后，实现了工作面的连续生产，稳定了矿井产量和生产经营形势；减少了工作面“一拆一安”所需投入，提前掘进大宽巷道掏空火成岩后，工作面正常推进，保证了工作面的煤炭质量，经济效益较理想。（下转第 137 页）7123 采空区7121 采空区9121 回风顺槽9121 运输顺槽火成岩侵入带火成岩掘巷9121工作面能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1732023 年 2 月Feb.,2023（上接第 73 页）4结语采用掘巷法可以较好地解决综采工作面过火成岩侵入带问题，避免了工作面内大规模的钻眼爆破，减少了切眼扩刷、拆除、安装等环节，大幅提高了工作面的安全可靠程度；同时保证了