切頂留巷工作面“留巷探測”技術(shù)的分析與應(yīng)用

盧小波

(華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲一號(hào)煤礦， 山西 呂梁 033000)

煤礦巷道掘進(jìn)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(zāi)地質(zhì)因素探測不夠精確，預(yù)測預(yù)報(bào)不夠準(zhǔn)確。因此,從空間、時(shí)間、技術(shù)上改變探測模式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測非常重要。

程建遠(yuǎn)等[1]研究了煤礦巷道快速掘進(jìn)的“長掘長探”技術(shù)，認(rèn)為定向鉆探+孔中物探相互結(jié)合的巷道超前探測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)巷道長距離、高精度的超前探測，滿足巷道快速掘進(jìn)地質(zhì)需求。可見，掘進(jìn)巷道地質(zhì)情況的查明程度和查明方式影響煤礦巷道的快速掘進(jìn)。

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(gòu)造及較大富水性區(qū)域。在井下，再應(yīng)用超前探測等方法開展局部區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)工作。探測的主要任務(wù)是首先查明掘進(jìn)巷道前方的隱伏地質(zhì)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(zhì)構(gòu)造等。通過探測成果繪制較準(zhǔn)確的預(yù)想地質(zhì)剖面圖。同時(shí)在探測程序上應(yīng)滿足“三專兩探”的要求。

沙曲一號(hào)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(chǔ)量12.1億t，剩余可采儲(chǔ)量6.37億t，按核定生產(chǎn)能力450萬t/年計(jì)算，礦井服務(wù)年限101年。沙曲一礦平均每年掘進(jìn)進(jìn)尺約1.2萬m，探放水及有掘必探鉆探進(jìn)尺約4.8萬m，超前探測工作量大。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出“留巷探測”技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)巷道的超前一次性精準(zhǔn)探測，為巷道快速掘進(jìn)提供精準(zhǔn)地質(zhì)保障。

1 短掘短探技術(shù)

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(jìn)—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(jìn)超前探測工作模式。巷道掘進(jìn)“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(jìn)30 m、留設(shè)30 m超前距，則巷道掘進(jìn)30 m后，再次停止掘進(jìn)，再次開展超前探測，如此往復(fù)循環(huán)，見圖1.

圖1 巷道掘進(jìn)探放水鉆孔布置示意圖

目前，華晉沙曲一號(hào)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(yán)重占用掘進(jìn)時(shí)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(jìn)。

1.2 “短掘短探”的技術(shù)缺陷

“短掘短探”的工作模式存在如下技術(shù)缺陷：1) 探掘矛盾，即掘進(jìn)時(shí)間不能探測，探測時(shí)間不能掘進(jìn)，兩者存在時(shí)間、空間上的矛盾，造成探測和掘進(jìn)的效率都比較低。2) 物探對(duì)探測環(huán)境要求較高，掘進(jìn)巷道迎頭環(huán)境比較差，金屬干擾較多，造成物探成果質(zhì)量差，不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)?！岸叹蚨烫健惫ぷ髂Ｊ绞莻鹘y(tǒng)開掘條件下的低效工作模式，不適應(yīng)煤礦巷道快速掘進(jìn)的技術(shù)需求。

2 “留巷探測”技術(shù)

“留巷探測”是指在留巷工作面對(duì)相鄰掘進(jìn)工作面實(shí)行超前鉆探和物探的工作新方案，實(shí)現(xiàn)了探掘地點(diǎn)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(yù)想剖面圖，提供準(zhǔn)確及完整的地質(zhì)信息，利于生產(chǎn)安排和安全管控?！傲粝锾綔y”技術(shù)克服了“短鉆短掘”的技術(shù)缺陷，避免了打鉆與掘進(jìn)在施工時(shí)間和空間上的矛盾，在充足的時(shí)間和空間內(nèi)開展超前探測，提高了超前探測的質(zhì)量，同時(shí)也為快速巷道掘進(jìn)提供了充足的空間和時(shí)間。

2.1 “留巷探測”的技術(shù)思路

沙曲一號(hào)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(jìn)行定向爆破，在一定區(qū)域范圍內(nèi)切開回采工作面頂板的應(yīng)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(nèi)通過推廣應(yīng)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(hù)、整巷及封閉處理后，完成留巷?；夭上乱粋€(gè)工作面只需要再掘進(jìn)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(shí)間，一次性提前完成對(duì)另一條巷道的精確勘探。

“留巷物探”技術(shù)是在掘進(jìn)巷道鄰近的留巷內(nèi)，利用反射槽波、礦井瞬變電磁實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)巷道的整體探測，分析構(gòu)造分布、富水性等水文地質(zhì)條件。

“留巷鉆探”技術(shù)是在掘進(jìn)巷道鄰近的留巷鉆場內(nèi)，利用定向鉆機(jī)實(shí)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(dá)到1 000 m，一般定向鉆孔深度600 m，鉆孔順巷側(cè)一般可以達(dá)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(shè)示意圖見圖2.

圖2 長距離定向鉆孔布設(shè)示意圖

2.2 “留巷探測”的關(guān)鍵技術(shù)

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

2.2.1 切頂留巷技術(shù)

沙曲一號(hào)煤礦留巷工藝主要步驟：恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)→頂板預(yù)裂爆破鉆孔及頂板預(yù)裂爆破施工→架后擋矸支護(hù)(架設(shè)單元支架)→巷道穩(wěn)定后撤除單元支架(打設(shè)信號(hào)點(diǎn)柱)，監(jiān)測頂板的變形。

2.2.2 工作面物探技術(shù)

在留巷開展反射槽波勘探和瞬變電磁探測，查明計(jì)劃掘進(jìn)巷道的富水性和構(gòu)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(huì)產(chǎn)生反射槽波信號(hào)。因此，識(shí)別出這些反射槽波信號(hào)，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(diǎn)和檢波點(diǎn)布置在同一個(gè)巷道內(nèi)。槽波反射法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在一條煤巷中向兩側(cè)進(jìn)行小構(gòu)造(平行或者近似平行巷道的構(gòu)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(zhì)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(guān)，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(nèi)，巷道高度比較高，寬度無限，因此留巷內(nèi)可以采用大功率大線框?qū)嵤┏疤綔y，從裝備上提高了探測深度和精度[5].

3) 定向鉆探技術(shù)

定向鉆探主要采用導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)，使鉆孔按設(shè)計(jì)要求的軌跡鉆進(jìn)。用這種鉆進(jìn)技術(shù)完成的鉆孔稱為定向孔。定向鉆探的主要優(yōu)點(diǎn)是能較準(zhǔn)確地鉆到目的層。

3 “留巷探測”的應(yīng)用

沙曲一號(hào)煤礦主采4號(hào)和5號(hào)煤層，其中4號(hào)煤平均厚度4.1 m，5號(hào)煤平均厚度3.7 m，礦井設(shè)計(jì)500萬t/a，實(shí)際為350萬t/a，達(dá)產(chǎn)任務(wù)艱巨，為了提高掘進(jìn)效率，6采區(qū)4505軌道巷采用“留巷”探測技術(shù)，完成“有掘必探”工作，提前查明煤層起伏、構(gòu)造發(fā)育以及陷落柱等地質(zhì)異常體，為4505軌道巷連續(xù)快速掘進(jìn)提供了時(shí)間和空間。

對(duì)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(yù)測為一條落差3 m左右的斷層。預(yù)計(jì)對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小。

圖4 4505軌道巷“留巷探測”槽波成果圖

對(duì)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(duì)4505軌道巷的探測，第三步是施工定向長鉆孔，總計(jì)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(jì)查明了2條斷層和2個(gè)陷落柱。

4 “留巷探測”的技術(shù)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(jī)施工，符合《煤礦防治水細(xì)則》中的三專要求?！睹旱V防治水細(xì)則》第39條，有條件的礦井，鉆探可采用定向鉆機(jī)，開展長距離、大規(guī)模探放水?！傲粝锾綔y”技術(shù)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(jì)性。

以1 500 m掘進(jìn)巷道超前探測為例，對(duì)“短掘短探”與“留巷探測”的工程量加以對(duì)比分析。對(duì)“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(gè)鉆孔計(jì)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(jì)算來看，工作面越長，留巷探測的鉆探工程量越小。“留巷探測”時(shí)鉆機(jī)搬運(yùn)次數(shù)遠(yuǎn)小于“短掘短探”的鉆機(jī)搬運(yùn)次數(shù)。因此“留巷探測”比“短掘短探”經(jīng)濟(jì)，成本低。

3) “留巷探測”的準(zhǔn)確性。

“留巷探測”采用定向鉆孔施工，能準(zhǔn)確掌握鉆孔軌跡，軌跡可控，可調(diào)整，鉆孔精度高，無盲區(qū)，目標(biāo)層位鉆遇率高，煤巖分辨率高，對(duì)構(gòu)造的范圍圈定更準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語

沙曲一號(hào)煤礦近年來推廣應(yīng)用了切頂留巷工藝，創(chuàng)造了留巷探測的時(shí)間和空間，在留巷工作面對(duì)相鄰掘進(jìn)工作面實(shí)行超前鉆探和物探，實(shí)現(xiàn)了探掘地點(diǎn)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(yù)想剖面圖，提供了準(zhǔn)確及完整的地質(zhì)信息。留巷探測克服了打鉆與掘進(jìn)在施工時(shí)間和空間上的矛盾，為巷道連續(xù)掘進(jìn)提供了充足的時(shí)間。