西曲矿8号煤黄泥带赋存规律及安全开采技术

郭启琛

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿， 山西 古交 030200)

太原西山煤田是我国最重要的焦煤生产基地之一，其下组煤8号煤顶板石灰岩，即L1庙沟灰岩是典型的浅海潟湖相沉积，该层灰岩厚度稳定，质地坚硬，使得8号煤在回采中便于支护，但在西山煤田西曲矿8号煤的回采过程中，工作面却多次揭露煤层黄泥带，黄泥带的存在使得原本坚硬的顶板逐渐过渡成泥状粘土，造成工作面空顶现象，支护及回采困难，对于井下安全造成极大的威胁[1]. 目前，对于煤层顶板黄泥带的成因有初步的研究，如宁武煤田也存在煤层顶板灰岩逐渐变薄变软甚至缺失的现象，郝甲飞、张国英认为其发育形态更趋近于煤层风氧化带，主要受到基岩厚度、沉积环境和构造等因素影响，并通过数值模拟的手段对黄泥带下的应力场进行了分析，提出了注浆加固快速通过的方案[2-3]；杨高峰针对西山矿区黄泥带的地质特征进行了详细的分析，认为黄泥带的形成原因是构造发育区地表水入渗至碳酸盐岩溶蚀导致[4]. 上述研究对于黄泥带的根本形成原因及发育规律却没有结合区域沉积环境以及分布规律综合分析。因此，本文以西山矿区西曲矿为例对8号煤顶板黄泥带的特征及成因从区域地质沉积环境上进行分析，并总结了黄泥带在盘区的发育规律。

1 研究区概况

西曲井田位于太原西山煤田北缘，井田面积34.315 2 km2，地形东北高西南低，井田东部矾石沟自北向南从地表穿过，平均盖山约230 m. 矿井分+983 m和+1 072 m两个水平、南和北两个翼生产，其中南翼8个盘区，北翼5个盘区。井田内地层自老到新出露的有古生界石炭系上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组及新生界第三系、第四系(图1).

图1 西曲矿太原组煤系地层综合柱状图

西曲矿北三盘区位于西曲井田东北部，但与井田内其他盘区不同，该盘区8号煤顶板石灰岩普遍裂隙发育，富水性较强，同时顶板变软发黄，整体性差，不易支护，风化严重的地方顶板及煤层相变为黄色的泥状黏土，顶板硬度完全消失。如西曲矿 28308正巷沿8号煤掘进，设计断面形状为宽4.5 m，高3.5 m的矩形断面，施工至地测9#点前56.8 m处时顶板由黑色灰岩逐渐相变为黄色泥岩，继续掘进2 m后，顶板完全风化为黄泥，并向下发育至煤层中，使煤层失去光泽，变为黑泥状。原设计的铁棚加锚杆的联合支护方式由于顶板裂隙带处黄泥的存在，打设顶锚杆时，对围岩的控制效果差，两帮出现片帮，底板下陷，影响施工效率，增加了掘进期间的支护时间和成本，无法继续正常掘进。目前，北三盘区已揭露的最大的黄泥带在28406工作面中部，面积约3 360 m2.

2 黄泥带成因分析及赋存规律

2.1 下组煤黄泥带特征

北三盘区8号煤层已回采完毕5个工作面：28406工作面(2012—2013年)、28302工作面(2015—2016年)、28307工作面(2017年)、28301工作面(2018年)和28308工作面(2019年)。5个工作面均不同程度地受到煤层黄泥带的影响。截止目前，盘区内完全揭露的黄泥带有11处，掘进巷道揭露12处(见表1).

表1 北三盘区揭露黄泥带面积统计表

8号煤黄泥带对工作面的掘进和安全回采影响极大，其影响范围与陷落柱在工作面内影响范围的情形相近，整体在平面上呈椭圆形，揭露前也存在煤层垮落、变质、失去光泽等现象。但不同于陷落柱发育的一般规律，井下揭露的黄泥带特征可以概括为以下几点：

1) 黄泥带发育的地方在上覆及下伏煤层的开采中并无异常现象，其赋存情况不可以单纯的依靠陷落柱的上下层位推理进行预测，工作面揭露往往是无计划的。

2) 陷落柱揭露前，顶底板破碎，裂隙增多，但不存在相变为其他岩性的情况，而黄泥带揭露前，往往随着工作面的推进，煤层以及顶板逐渐变为泥状黏土，造成该区域顶板缺失，随着工作面推进，再由风化黄泥带渐变为正常煤层及顶板(图2).

图2 北三盘区8号煤黄泥带揭露前顶板岩性变化图

3) 黄泥带在揭露前往往工作面煤层向下形成较明显的向斜褶曲，顶板发黄变软，顶板及黄泥带往往潮湿含水，水质分析显示其为SO4·HCO3-Ca·Mg型，水质清澈，矿化度中等，与石灰岩内的岩溶裂隙水成分相近。

4) 黄泥带揭露的区域，顶板以及黄泥带中的岩石软且破碎，往往含有大量的生物化石，以腹足类、瓣塞类为主，个体较小，壳体薄，虽呈聚集的群落出现但种属较为单调(图3).

图3 北三盘区各工作面黄泥带区域顶板生物化石群图

2.2 沉积成因分析

西山地区晚石炭世-早二叠世太原组C3t沉积期以障壁岛-潟湖-潮坪的障壁海岸沉积体系为主，其次发育碳酸盐台地相和沼泽相[5]. 西曲井田内太原组普遍沉积有3层石灰岩，分别为L1、K2和L4灰岩，表现为典型的碳酸盐沉积；岩性沉积以灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩等为主，说明其当时的沉积环境是低能的；不同于本区其他段地层，其沉积有较厚的8号、9号煤层，证明其是一种海相沉积逐渐到陆相沉积过渡的体系，位于滨海平原区，并且当时的气候条件易于植物的繁殖和沼泽化，形成了沼泽化的潟湖，因此研究黄泥带的重点是分析清楚沼泽化潟湖的沉积环境。

潟湖是为海岸所限制、被障壁岛所遮拦的浅水盆地，它以潮道与广海相通或与广海呈半隔绝状态。潟湖中波澜作用较弱，其环境相应的变得安静、低能，沉积物以细粒陆源物质和化学沉积物质为主，当潟湖底部有H2S存在时，往往出现生物群绝迹[6].

结合西曲井田北三盘区介于海陆过渡相沉积环境，煤层含硫度较高，并且黄泥带中大量聚集的化石沉积等因素综合分析，初步分析黄泥带形成的原因是：盘区当时的沉积环境为海陆过渡的沼泽化潟湖，潟湖中潮道发育，形成低洼含水区域，古代生物也都普遍聚集在潮道低洼区内，强流水和生物作用将原本沉积完好的地层破坏成黄泥状，同时由于沉积区整体海进，后期形成还原环境强的淡化潟湖沉积相，低洼段整体出现生物群绝迹[7].

2.3 赋存规律分析

井下黄泥带的发育对工作面的回采影响极大，科学地预测北三盘区黄泥带的分布并针对性地提出合理的勘查技术方案是解决北三盘区工作面布置，矿井安全有序生产的关键问题。分析可知，黄泥带的成因是潮道中强流水和生物聚集的风化作用导致的，因此需要分析清楚当时潮道的发育形态。

根据目前盘区已回采完的5个工作面及巷道掘进期间揭露的黄泥带分布可以看出，北三盘区黄泥带整体呈带状分布，为下一步预测黄泥带可能出现的区域提供了良好的途径。西曲矿北三盘区黄泥带预测图见图4.

由图4可知，28302、28301、28406、28307和28306工作面揭露的黄泥带位于1号带，28406工作面本身揭露的黄泥带和28309工作面揭露的黄泥带构成2号带，28308、28307和28306工作面揭露的黄泥带位于3号带，位于黄泥带范围交汇处的黄泥带面积最大，并且周围黄泥带分布也多，构成条带的交点，对工作面的影响最大，如4号黄泥带和预测的5号、7号、10号黄泥带。通过将已经揭露的黄泥带进行综合分析，预测28310工作面不会受到这类黄泥带的影响，但接下来将要生产的28309工作面将主要受到2号带的影响，28306以及未来布置的28305工作面将主要受到1号和3号带的影响，需要对这些可能受影响的地区进行综合探测。

3 黄泥带下煤层安全开采关键技术

以泥质类岩层为主的软弱顶板或基岩风氧化带岩层发育的顶板普遍强度低，塑形强，易于崩解、泥化，这些顶板在地质上的成因虽然与西曲矿黄泥带成因有区别，但在回采过程中面临的生产问题却大致相同[8-9]. 8号煤层顶板黄泥带会造成顶板产生非均衡性破坏和局部抽冒，由于黄泥带潮湿富水，使得工作面回采期间支护和运输都非常困难。目前，我国针对软弱顶板下采煤采取的措施主要有留设煤岩柱或超前预注浆优化顶板支护方式两种方法[10-11]. 西曲矿黄泥带的产生往往是顶板的突然相变，平面形状近似椭圆，为减少煤炭资源的浪费，保证黄泥带内煤层安全开采，针对该矿黄泥带下回采提出新的保障技术[12].

图4 西曲矿北三盘区黄泥带预测图

3.1 超前探测，护-让结合，缩小煤柱留设范围

由图4可知，西曲矿黄泥带平面上往往成椭圆状，并且其揭露只在几条特定的条带上，因此可以结合黄泥带的分布规律，利用周边巷道提前进行探测，在巷道设计之初提前规避黄泥带，尽量将黄泥带圈在工作面之外；若无法避免黄泥带在工作面回采中的揭露，可以采用补巷、绕道等方式对黄泥带进行规避。西曲矿28309工作面在掘进前，利用东侧28308工作面正巷提前对28309工作面可能发育黄泥带的区域进行超前探测，圈定了28309工作面黄泥带的范围，并通过掘进28309工作面外切眼的方式，缩小了工作面北侧煤柱留设的范围约6 800 m2，并结合工作面煤厚及顶底板岩性，提前选用了强初撑、高阻力的ZY5600型支架，采用超前移架、带压前移等措施，加快工作面推进速度。

3.2 结合物探预测超前预注浆，优化支护方式

结合盘区水文地质条件，在北三盘区工作面形成以后，均采用无线电坑透仪进行CT透视，结合探测到的地质弱面部位，重点对预测黄泥带发育范围内的破碎煤岩体进行注浆加固。西曲矿在28306工作面形成后进行无线电坑透，发现地质构造异常区与1号预测带重叠，因此重点对该区域进行探测，并成功探测到预测4号黄泥带和预测5号黄泥带的范围，预计其面积约2 160 m2. 矿井根据探测成果及时修改工作面设计，补充施工黄泥带绕道及外切眼，使用固安特化学注浆加固顶板，并缩小巷道棚距至0.6 m，用工字钢搭接硬化底板，于巷道中间每两架棚子打设一根点柱，使工作面未来回采可以顺利规避黄泥带，减少了黄泥带对28306工作面今后回采的影响，延长了工作面回采长度。

4 结 论

1) 通过对西曲矿黄泥带发育沉积的特征进行分析，结合西山煤田沉积环境为典型的海相低能碳酸盐沉积环境，预测北三盘区黄泥带形成原因是沼泽化潟湖中潮道形成的低洼含水区域强流水和生物作用共同导致的。

2) 井下揭露的黄泥带整体呈带状分布，综合分析，预测接下来将要生产的28309工作面主要受到2号带的影响，28306以及未来布置的28305工作面主要受到1号和3号带的影响。

3) 通过采用超前探测、护-让结合、缩小煤柱留设范围、超前预注浆及优化支护方式等方法，西曲矿实现了黄泥带内煤层的安全掘进和回采。