火成巖巖脈(墻)侵蝕對(duì)工作面的影響

王成龍,羅文柯,2*,陸俊翔,黃妍

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

近年來(lái),受火成巖影響的井田數(shù)量隨著煤礦開(kāi)采深度不斷增加而增多[1].火成巖侵蝕煤層時(shí),引發(fā)地質(zhì)變化與煤質(zhì)變化[2],同時(shí)也會(huì)增大煤與瓦斯的突出風(fēng)險(xiǎn)[3],常常給煤礦開(kāi)采帶來(lái)許多難題[4-7].國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)火成巖侵蝕對(duì)煤礦開(kāi)采的影響進(jìn)行了許多研究.蔡春城等[8]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,發(fā)現(xiàn)火成巖以巖墻或巖床形式侵蝕對(duì)煤層的熱變質(zhì)影響不同;令狐博[9]發(fā)現(xiàn)侵蝕程度強(qiáng)的火成巖取代了原有煤層位置,侵蝕程度弱的使煤發(fā)生硅化作用和熱接觸變質(zhì);孟凡軍[10]對(duì)火成巖侵蝕的選擇性、分帶性及侵蝕通道等特征進(jìn)行了分析,得出火成巖侵蝕特點(diǎn)與煤層的地質(zhì)條件相關(guān);刁玉杰等[11]研究發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕不僅會(huì)破壞原有的含水層結(jié)構(gòu),同時(shí)侵蝕產(chǎn)生的裂隙會(huì)導(dǎo)致煤層與其他含水層發(fā)生水力聯(lián)系;張建民等[12]通過(guò)對(duì)阜新劉家區(qū)火成巖的產(chǎn)狀、分布規(guī)律等特征分析,得出火成巖侵蝕對(duì)地下水儲(chǔ)集、運(yùn)移和對(duì)臨近井壓裂效果造成不利影響的結(jié)論;涂肖標(biāo)[13]針對(duì)某礦受火成巖侵蝕的3920工作面提出了一種瓦斯綜合治理技術(shù);劉輝等[14]通過(guò)監(jiān)測(cè)煤層礦壓受采動(dòng)影響時(shí)對(duì)超前支護(hù)的影響范圍,揭露了火成巖侵蝕背景下工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;李強(qiáng)等[15]針對(duì)火成巖頂板誘發(fā)工作面沖擊地壓的問(wèn)題,采用了頂板剪切梁模型,定義了3個(gè)臨界指標(biāo)來(lái)判定是否發(fā)生沖擊地壓.

本文基于祁南煤礦101采區(qū)火成巖以巖墻形式侵蝕對(duì)工作面的影響研究,探尋導(dǎo)致已確定回采工作面報(bào)廢的深層次原因及其他重要影響因素,為同類礦井的火成巖巖脈(墻)侵蝕下的工作面布置提供重要參考價(jià)值.

1 研究區(qū)概況

祁南煤礦位于安徽宿州埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)境內(nèi).礦井含煤地層屬二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上石盒子組.含煤地層厚度約940 m,分上、中、下3個(gè)煤組,下煤組可采煤層為單一10煤層.其中10煤層位于山西組中部,上距9煤層56～99 m,平均75 m.10煤綜合柱狀圖如圖1所示.主要研究區(qū)域?yàn)?01擴(kuò)大采區(qū),位于101采區(qū)東翼,已回采4個(gè)區(qū)段10112,10113,10114和10115.擴(kuò)大采區(qū)范圍為10115機(jī)巷以東至采區(qū)邊界,長(zhǎng)約1 900 m,寬約800 m.

圖1 祁南煤礦10煤綜合柱狀圖

2 101采區(qū)火成巖侵蝕區(qū)勘探分析

2.1 初次勘探情況及工作面設(shè)計(jì)

2.1.1 初次勘探情況

截至2014年底,101采區(qū)初次勘探共施工14個(gè)鉆孔,勘探鉆孔孔間距300～600 m,根據(jù)勘探資料表明,補(bǔ)25#勘探線上4個(gè)鉆孔均可見(jiàn)到火成巖,且被侵蝕成煤-火成巖-焦煤互層結(jié)構(gòu)特點(diǎn);在17-18#勘探線上17-18-1#,17-18-2#,17-18-4#均被火成巖侵蝕;18#勘探線上只有18-3#見(jiàn)到火成巖,另外18-4#煤層有局部烘烤現(xiàn)象.初次勘探火成巖侵蝕情況如圖2所示.

圖2 初次勘探鉆孔分布及火成巖侵蝕情況

2.1.2 工作面劃分

根據(jù)初次勘探情況,劃分火成巖侵蝕范圍和工作面,如圖3所示.由勘探鉆孔資料發(fā)現(xiàn)未被火成巖侵蝕的區(qū)域煤炭資源豐富,于是以火成巖侵蝕形成的圍巖為自然邊界,劃分出2個(gè)綜采工作面10116和10118,工作面地層整體走向近EW，傾向N.10116工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)為1 258 m,傾斜寬為189 m;10118工作面走向長(zhǎng)為993 m,傾斜寬為197 m.

圖3 初次勘探火成巖侵蝕范圍與工作面劃分

在101東翼軌道大巷掘進(jìn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)部分火成巖從巷道頂板入侵的情況,超出了原劃定的火成巖區(qū)域,說(shuō)明初次勘探確定的火成巖邊界不精確,需要進(jìn)行補(bǔ)充勘探.

2.2 補(bǔ)充勘探報(bào)告分析及工作面設(shè)計(jì)

2.2.1 2015年—2016年勘探情況

2015年共施工4個(gè)鉆孔,補(bǔ)充的鉆孔主要分布在工作面周邊原定無(wú)火成巖侵蝕區(qū)域,提高工作面周圍火成巖區(qū)域劃分的精確程度.在4個(gè)鉆孔中均未發(fā)現(xiàn)火成巖,并且認(rèn)為18-4#孔附近火成巖侵蝕為小范圍零星分布.在2016年勘探過(guò)程中,補(bǔ)充的5個(gè)鉆孔分布范圍由工作面向火成巖侵蝕邊界區(qū)域擴(kuò)大,在原定無(wú)火成巖侵蝕區(qū)域發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕,即2016-12#,2016-14#,2016-17#鉆孔處,其中2016-14#鉆孔火成巖厚度達(dá)4.23 m,煤層全部侵蝕變質(zhì),致使原10118設(shè)計(jì)工作面失效.2016年勘探后侵蝕范圍和工作面劃分如圖4所示.

圖4 2016年勘探火成巖侵蝕范圍與工作面劃分

2.2.2 2017年補(bǔ)充勘探情況

因在2016-12#發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕,為進(jìn)一步判斷火成巖對(duì)工作面的影響情況,在2017年又施工4個(gè)鉆孔,其中有3個(gè)鉆孔反映10煤受火成巖侵蝕影響.2017-5#和2017-9#孔火成巖較厚,分別為3.35和3.63 m,結(jié)合2016-12#孔0.4 m的火成巖厚度,認(rèn)為火成巖侵蝕區(qū)覆蓋原10116工作面,使火成巖侵蝕面積進(jìn)一步大幅增加.另外,截至2017年底10116機(jī)巷已揭煤施工約50 m,根據(jù)實(shí)揭以及在10116機(jī)巷向工作面內(nèi)部施工的2個(gè)探查孔所反映的資料發(fā)現(xiàn),均有不同程度的火成巖侵蝕,印證了此次劃分范圍,發(fā)現(xiàn)工作面前方存在面積較大的火成巖侵蝕.原10116工作面被火成巖切斷.2017年勘探后侵蝕范圍和工作面劃分如圖5所示.

圖5 2017年勘探火成巖侵蝕范圍與工作面劃分

2.2.3 2018年補(bǔ)充勘探情況

因10116工作面發(fā)現(xiàn)大面積火成巖侵蝕,為進(jìn)一步探明工作面后方可采煤層面積,截至2018年3月底又施工2個(gè)鉆孔,其中2018-10#鉆孔發(fā)現(xiàn)存在0.4 m火成巖,2018-11#鉆孔未見(jiàn)火成巖,但局部煤層受烘烤.由此可基本確定火成巖將10116工作面開(kāi)切眼附近全部侵蝕,2018-11#附近存在火成巖,火成巖侵蝕范圍比2017年底預(yù)測(cè)范圍有所增大.2018年勘探后侵蝕范圍和工作面劃分如圖6所示,至此10116工作面煤層分布情況基本確定.

圖6 2018年勘探火成巖侵蝕范圍與工作面劃分

3 祁南101采區(qū)火成巖侵蝕對(duì)工作面的影響分析

3.1 對(duì)101采區(qū)回采工作面布置的影響

經(jīng)過(guò)初次勘探,101采區(qū)18#勘探線附近存在大量可采煤層.遂以火成巖巖墻為邊界布置了2個(gè)工作面10116和10118.但通過(guò)實(shí)際掘進(jìn)情況與加密補(bǔ)充勘探鉆孔發(fā)現(xiàn),火成巖侵入的形態(tài)和面積與初次勘探的預(yù)測(cè)情況不相符,使得10116工作面被切斷、10118工作面失效.火成巖侵蝕方式和侵入通道的復(fù)雜性給工作面布置造成很大的被動(dòng).

3.2 對(duì)101采區(qū)巷道掘進(jìn)的影響

在101東翼軌道大巷的掘進(jìn)過(guò)程中,在原定無(wú)火成巖侵入的巷道頂板發(fā)現(xiàn)大量火成巖,掘進(jìn)至10116工作面開(kāi)切眼施工面內(nèi)探查孔后,亦發(fā)現(xiàn)10煤被大面積侵蝕燃燒.因此需要施工大量勘探鉆孔確定火成巖分布情況,使得采掘工作周期延長(zhǎng);同時(shí)火成巖侵蝕導(dǎo)致煤層頂板強(qiáng)度降低,也增加了掘進(jìn)過(guò)程的安全隱患.

3.3 對(duì)101采區(qū)10煤回采工藝的影響

從圖2～圖6可以看出,勘探鉆孔密度由300～600 m加密至115～490 m,火成巖與10煤分布情況逐漸明晰.最終勘探結(jié)果顯示,由于火成巖大面積侵蝕,導(dǎo)致原10116和10118工作面無(wú)法布置規(guī)整的綜采工作面,但工作面內(nèi)仍有大量可采資源,工作面的情況符合炮采工藝條件,推薦采用炮采工藝對(duì)10煤進(jìn)行采掘,避免資源浪費(fèi).

3.4 對(duì)101采區(qū)10煤采掘收益的影響

綜合上述分析結(jié)果,在10116和10118工作面中,現(xiàn)已查明的火成巖侵蝕區(qū)域面積占比約50%,相較初次勘探結(jié)果侵蝕面積增加約331 100 m2.火成巖一般沿煤層中上部侵蝕,侵蝕厚度為0～4.23 m,平均0.7 m左右.預(yù)計(jì)在工作面內(nèi)部,還有未查明的零星或小范圍的火成巖侵蝕區(qū)域.火成巖的侵蝕導(dǎo)致10煤降低或失去工業(yè)價(jià)值,同時(shí)補(bǔ)充勘探鉆孔的施工增加了生產(chǎn)成本,使得工作面內(nèi)10煤的經(jīng)濟(jì)效益降低.

4 結(jié)論

1)隨著勘探不斷深入,101采區(qū)火成巖侵蝕范圍逐漸明確.原設(shè)計(jì)工作面被火成巖切斷,無(wú)法布置規(guī)整工作面;同時(shí)由于火成巖的烘烤作用,使部分煤層工業(yè)價(jià)值降低.在該條件下布置工作面時(shí),需要考慮其經(jīng)濟(jì)效益.

2)火成巖以巖墻形式侵蝕條件下,初次勘探可能無(wú)法完全查明火成巖侵蝕范圍.在發(fā)現(xiàn)火成巖侵蝕超出原定區(qū)域的情況下,應(yīng)停止掘進(jìn),通過(guò)加大勘探鉆孔密度和施工探查孔的方式探明前方情況;同時(shí)火成巖存在于巷道頂板時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)段巷道支護(hù)的管控.

3)101采區(qū)被火成巖以巖脈(墻)侵蝕后,火成巖侵蝕導(dǎo)致10煤分布散亂,原正規(guī)綜合機(jī)械化采煤工藝不再適用,建議采用炮采工藝回收煤炭資源.