切顶留巷工作面“留巷探测”技术的分析与应用

卢小波

(华晋焦煤有限责任公司 沙曲一号煤矿， 山西 吕梁 033000)

煤矿巷道掘进是采煤工作最重要，也是事故最高发的一道工序，造成事故高发的主要因素之一就是隐蔽致灾地质因素探测不够精确，预测预报不够准确。因此,从空间、时间、技术上改变探测模式，实现精准探测非常重要。

程建远等[1]研究了煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术，认为定向钻探+孔中物探相互结合的巷道超前探测技术，能够实现掘进巷道长距离、高精度的超前探测，满足巷道快速掘进地质需求。可见，掘进巷道地质情况的查明程度和查明方式影响煤矿巷道的快速掘进。

在矿井地表，通过三维地震勘探及电法勘探初步查明大型构造及较大富水性区域。在井下，再应用超前探测等方法开展局部区域地质和水文地质工作。探测的主要任务是首先查明掘进巷道前方的隐伏地质因素，包括采空区、废弃老窑(井筒)、封闭不良钻孔、含水体、冲刷带(无煤带)等；其次查明煤层的空间赋存形态，如煤层起伏、煤厚变化、地质构造等。通过探测成果绘制较准确的预想地质剖面图。同时在探测程序上应满足“三专两探”的要求。

沙曲一号煤矿井田走向长10～10.86 km，倾斜宽5～8 km，面积68.381 7 km2.截止2022年1月1日，全井田保有煤炭资源/储量12.1亿t，剩余可采储量6.37亿t，按核定生产能力450万t/年计算，矿井服务年限101年。沙曲一矿平均每年掘进进尺约1.2万m，探放水及有掘必探钻探进尺约4.8万m，超前探测工作量大。在前人研究成果的基础上，提出“留巷探测”技术，以实现整个巷道的超前一次性精准探测，为巷道快速掘进提供精准地质保障。

1 短掘短探技术

目前，煤矿“有掘必探”工作普遍采用常规超前探测模式，即物探+钻探—掘进—停掘的工作流程。这种工作流程即“短探短掘”。

1.1 短掘短探的方法

“短掘短探”是指单次探测距离短的巷道掘进超前探测工作模式。巷道掘进“有掘必探”工作中“短掘短探”的典型模式，即如果每次超前探测60 m、允许掘进30 m、留设30 m超前距，则巷道掘进30 m后，再次停止掘进，再次开展超前探测，如此往复循环，见图1.

图1 巷道掘进探放水钻孔布置示意图

目前，华晋沙曲一号煤矿井下煤巷综掘平均速度每天10 m左右，而单次超前物探、钻探的探测距离60～100 m，即每3天就得探测一次，频繁的探测严重占用掘进时间和空间，因此“短掘短探”的方法不适用于该矿巷道快速掘进。

1.2 “短掘短探”的技术缺陷

“短掘短探”的工作模式存在如下技术缺陷：1) 探掘矛盾，即掘进时间不能探测，探测时间不能掘进，两者存在时间、空间上的矛盾，造成探测和掘进的效率都比较低。2) 物探对探测环境要求较高，掘进巷道迎头环境比较差，金属干扰较多，造成物探成果质量差，不能有效指导生产。“短掘短探”工作模式是传统开掘条件下的低效工作模式，不适应煤矿巷道快速掘进的技术需求。

2 “留巷探测”技术

“留巷探测”是指在留巷工作面对相邻掘进工作面实行超前钻探和物探的工作新方案，实现了探掘地点的分离，从理念上解决了探掘分离的矛盾，能一次性完成整条巷道的探测，一次性提供整条巷道的预想剖面图，提供准确及完整的地质信息，利于生产安排和安全管控。“留巷探测”技术克服了“短钻短掘”的技术缺陷，避免了打钻与掘进在施工时间和空间上的矛盾，在充足的时间和空间内开展超前探测，提高了超前探测的质量，同时也为快速巷道掘进提供了充足的空间和时间。

2.1 “留巷探测”的技术思路

沙曲一号煤矿“切顶留巷”是在回采巷道施工一定深度的切顶钻孔，然后进行定向爆破，在一定区域范围内切开回采工作面顶板的应力传播，一定程度上减少留巷顶板的压力，增加巷道自身的承载作用，最大程度减少巷道变形量。留巷内通过推广应用单元支架，更好地控制顶板下沉，确保沿空留巷最佳效果，经过一系列采空区支护、整巷及封闭处理后，完成留巷。回采下一个工作面只需要再掘进另一条巷道[2].

“留巷探测”分为“留巷物探”和“留巷钻探”，利用留巷的空间和时间，一次性提前完成对另一条巷道的精确勘探。

“留巷物探”技术是在掘进巷道邻近的留巷内，利用反射槽波、矿井瞬变电磁实现对掘进巷道的整体探测，分析构造分布、富水性等水文地质条件。

“留巷钻探”技术是在掘进巷道邻近的留巷钻场内，利用定向钻机实现长距离超前钻探[3]；沙曲一矿定向钻孔深度最长可以达到1 000 m，一般定向钻孔深度600 m，钻孔顺巷侧一般可以达到300～700 m.沙曲一矿工作巷道长度一般为1 000～1 500 m，一条巷道仅需要施工3～5次定向钻孔，即可完成整条巷道的“有掘必探”工作，长距离定向钻孔布设示意图见图2.

图2 长距离定向钻孔布设示意图

2.2 “留巷探测”的关键技术

如上所述，“留巷探测”是以切顶留巷为空间和时间载体，利用物探和定向钻探对相邻掘进工作面进行提前综合精准勘探的技术。其中切顶留巷、槽波、大功率瞬变电磁探测是关键技术。

2.2.1 切顶留巷技术

沙曲一号煤矿留巷工艺主要步骤：恒阻锚索加强支护→顶板预裂爆破钻孔及顶板预裂爆破施工→架后挡矸支护(架设单元支架)→巷道稳定后撤除单元支架(打设信号点柱)，监测顶板的变形。

2.2.2 工作面物探技术

在留巷开展反射槽波勘探和瞬变电磁探测，查明计划掘进巷道的富水性和构造分布情况，为巷道优化布置提供一定的参考依据。

1) 反射槽波法探测。

槽波在煤层中传播遇到了煤层中的不连续体(断层、陷落柱等)，即遇到了波阻抗分界面，就会产生反射槽波信号。因此，识别出这些反射槽波信号，就能直接判断出煤层不连续体所在的位置。如图3所示，反射槽波的炮点和检波点布置在同一个巷道内。槽波反射法的最大优点是可以在一条煤巷中向两侧进行小构造(平行或者近似平行巷道的构造最有效)的探测[4].

图3 槽波反射法勘探示意图

2) 瞬变电磁探测。

瞬变电磁探测原理是发射一次场，接收二次场，二次磁场的变化反映的是前方地质体的电性分布。瞬变电磁探测深度主要与发射线框的匝数、面积、电流有关，受煤矿巷道迎头掌子面大小的影响，一般发射和接收天线尺寸都在2 m以下，但是在切顶留巷内，巷道高度比较高，宽度无限，因此留巷内可以采用大功率大线框实施超前探测，从装备上提高了探测深度和精度[5].

3) 定向钻探技术

定向钻探主要采用导向钻进技术，使钻孔按设计要求的轨迹钻进。用这种钻进技术完成的钻孔称为定向孔。定向钻探的主要优点是能较准确地钻到目的层。

3 “留巷探测”的应用

沙曲一号煤矿主采4号和5号煤层，其中4号煤平均厚度4.1 m，5号煤平均厚度3.7 m，矿井设计500万t/a，实际为350万t/a，达产任务艰巨，为了提高掘进效率，6采区4505轨道巷采用“留巷”探测技术，完成“有掘必探”工作，提前查明煤层起伏、构造发育以及陷落柱等地质异常体，为4505轨道巷连续快速掘进提供了时间和空间。

对4505轨道巷的探测，第一步是在4504轨道巷开展了反射槽波探测，见图4，反射槽波成果显示在巷道600～900 m，反射波能量较大，预测为一条落差3 m左右的断层。预计对巷道掘进影响较小。

图4 4505轨道巷“留巷探测”槽波成果图

对4505轨道巷的探测，第二步是在4504轨道巷开展了大功率大线框瞬变电磁探测，见图5，瞬变电磁成果显示4505轨道巷没有明显的低阻异常区，即没有水害威胁。

图5 4505轨道巷“留巷探测”瞬变电磁成果图

对4505轨道巷的探测，第三步是施工定向长钻孔，总计施工了2次定向孔，根据定向钻孔见煤岩情况及槽波勘探成果绘制了4505轨道巷“留巷探测”平剖面成果图，见图6，7，总计查明了2条断层和2个陷落柱。

4 “留巷探测”的技术研讨

1) “留巷探测”的合法性。

“留巷探测”钻探采用专用探放水钻机施工，符合《煤矿防治水细则》中的三专要求。《煤矿防治水细则》第39条，有条件的矿井，钻探可采用定向钻机，开展长距离、大规模探放水。“留巷探测”技术符合规程规定要求。

图6 4505轨道巷“留巷探测”平面成果图

图7 4505轨道巷“留巷探测”剖面成果图

2) “留巷探测”的经济性。

以1 500 m掘进巷道超前探测为例，对“短掘短探”与“留巷探测”的工程量加以对比分析。对“短掘短探”钻探施工量，按照100 m探测一次，留30 m超前距,一次施工3个钻孔计算，短探工作量为1 500÷(100-30)×100×3=6 429 m；留巷探测工程量为1 000×3+500×3+300=4 800 m.从工程量计算来看，工作面越长，留巷探测的钻探工程量越小。“留巷探测”时钻机搬运次数远小于“短掘短探”的钻机搬运次数。因此“留巷探测”比“短掘短探”经济，成本低。

3) “留巷探测”的准确性。

“留巷探测”采用定向钻孔施工，能准确掌握钻孔轨迹，轨迹可控，可调整，钻孔精度高，无盲区，目标层位钻遇率高，煤岩分辨率高，对构造的范围圈定更准确。

5 结 语

沙曲一号煤矿近年来推广应用了切顶留巷工艺，创造了留巷探测的时间和空间，在留巷工作面对相邻掘进工作面实行超前钻探和物探，实现了探掘地点的分离，能一次性完成整条巷道的探测，一次性提供整条巷道的预想剖面图，提供了准确及完整的地质信息。留巷探测克服了打钻与掘进在施工时间和空间上的矛盾，为巷道连续掘进提供了充足的时间。