煤巷掘进过断层工程实践与探索

朱亚飞 赵 波

（1.河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001；2.河南煤科院检测技术有限公司，河南 郑州 450001)

随着煤矿开采深度的不断延伸，地质条件渐趋复杂，在煤巷快速掘进的过程中多次受到断层等地质构造的影响[1-4]。巷道掘进进程中地质资料的收集能够为现场过断层方案的制定提供指导，保证矿井安全生产[5]。目前，煤巷掘进收集地质资料主要采用物探法和超前探孔法[6]。超前探孔法是在煤巷掘进工作面沿煤层施工钻孔，根据孔内钻屑含量了解工作面前方地质情况。以陈四楼煤矿21408 轨道顺槽掘进期间遇到的DNF64 断层为例，进行了超前探孔法在煤巷掘进过断层实践中的探索和应用。

1 工作面概况

21408 工作面位于陈四楼煤矿十四采区，21408轨道顺槽沿实体煤掘进，主采二2 煤层，厚度变化不大，平均2.68 m，结构简单，属稳定煤层。根据三维地震勘探资料及相邻巷道实际揭露情况分析，21408 轨道顺槽整体为一单斜构造，煤层倾角为6°～14°，平均10°，地质条件较为简单。21408轨道顺槽掘进邻近DNF64 断层，预计该断层伴生的小断层对掘进有一定影响。21408 轨道顺槽先以方位角为136°施工71 m 后，再以方位角为162°施工727 m。21408 轨道顺槽与DNF64 逆断层相对位置如图1。

图1 21408 轨道顺槽巷道方位示意图

2 现场工程实践

2.1 DNF64 断层的初次揭露

21408 轨道顺槽以方位角为136°掘进，在167 m 处巷道左帮出现岩石，在176.1 m 处巷道右帮出现岩石。为探测断层的具体位置以及对巷道掘进的影响，在173 m 和176.2 m 迎头处布置2个超前探孔（探孔参数见表1）。钻孔采用MQS-50/1.7 型气动手持式帮锚杆钻机、B19 六方钻杆和Ф28 mm 钻头。

表1 第1 组探孔参数表

1-1 探孔和1-2 探孔结果显示全煤，不能确定断层另一盘煤层的位置，巷道继续以方位角为136°沿煤层掘进。继续掘进至177.5 m 处，迎头左帮出现1.7 m 岩石，右帮出现0.4 m 岩石。至187.5 m 处，迎头左帮全岩，右帮出现0.95 m 岩石。在此范围内布置探孔，了解断层附近区域地质情况，预测断层的上、下盘煤层位置。探孔参数见表2。

表2 第2 组探孔参数表

2-1 探孔显示全岩；2-2 探孔显示8.8 m 见煤，9.3 m 又见岩石；2-3 探孔显示9.2 m 见煤；2-4 探孔显示全岩。

根据第2 组探孔探测结果显示煤层在巷道上方，可判断此断层为逆断层，揭露部分落差为9～10 m。上、下盘煤层相对位置如图2。

图2 初次揭露DNF64 断层预想剖面示意图（m）

2.2 DNF64 断层对巷道方位角变化设计方案的影响

考虑到现场实际情况，DNF64 断层位于十四采区边界，21408 轨道顺槽巷道方位角即将发生变化，为减轻DNF64 断层对巷道现场施工的影响，在187.5 m 迎头范围内布置探孔，了解巷道迎头附近地质情况，优化巷道方位角变化设计方案。探孔布置位置示意图如图3，设计参数见表3。

图3 21408 轨道顺槽187.5 m 处迎头探孔布置示意图

表3 第3 组探孔参数表

3-1 探孔、3-3 探孔、3-4 探孔显示眼底全岩；3-2探孔、3-5 探孔、3-6 探孔、3-7 探孔显示全煤。

根据3-1 探孔、3-2 探孔、3-3 探孔、3-4 探孔探测结果分析：若继续以方位角136°向前掘进并按照原设计在188.5 m 处变化方位角，巷道将以半煤岩巷或岩巷掘进，增加现场工作量，且断层与巷道之间没有留设保护煤柱，可能会造成巷道顶帮破碎，不利于巷道支护和维护管理。

根据3-2 探孔探测结果分析：若巷道方位角向右偏转30°，即以方位角166°沿煤层（煤层倾角4°）施工，巷道将在迎头前方10 m 范围内继续在下盘煤层中掘进。

根据3-4 探孔、3-5 探孔、3-6 探孔、3-7 探孔探测结果分析：若巷道方位角向右偏转26°，即以方位角162°沿煤层施工，巷道将在迎头前方22 m再次揭露断层；而以方位角162°、2°上山施工，巷道将在迎头前方30 m 范围内继续在下盘煤层中掘进，但随着巷道的延伸，巷道会出现“拉底”的现象，加大现场工程施工难度。

根据以上分析结果，考虑DNF64 断层保护煤柱约10 m 范围，巷道能够保证沿煤层掘进，对巷道方位角变化设计方案进行优化。方案如下：自21408 轨道顺槽187.5 m 处后退11.4 m 开口，在巷道173 m 处以方位角162°沿煤层掘进施工。

巷道支护方案为：方位角变化后，巷道前10 m断面设计净宽×净高=4800 mm×2600 mm，10 m以后断面设计净宽×净高=4000 mm×2600 mm，排距为800 mm。巷道支护采用“锚网索”支护，顶板采用“M”钢带（4 m）和Φ20 mm×2200 mm高强锚杆，锚索为10.3 m 长，至顶板打锚索孔不见煤后改为6.3 m 长锚索，两帮采用Φ18 mm×2200 mm 高强锚杆，间排距为800 mm×800 mm。巷道方位角变化处由于空顶面积较大，根据顶板离层情况打点柱，保证现场支护安全。

2.3 DNF64 断层的再次揭露

21408 轨道顺槽以方位角162°继续掘进，至416.2 m（巷道方位角变化前的173～187.5 m 不计入巷道总长度）处打锚索孔时上部见煤。为了解断层附近的地质情况，布置探孔探测上盘煤层位置并制定过断层方案。探孔参数见表4。

表4 第4 组探孔参数表

由表4 可知：

（1）4-1 探孔显示2.7 m 见煤，4.2 m 又见岩石；4-2 探孔显示眼底全煤；

（2）4-3 探孔显示0.8 m 见煤，4 m 见岩石；4-4探孔显示2 m 见煤，4 m 见岩石；

（3）4-5 探孔显示0.6 m 见煤，4 m 见岩石；4-6探孔显示2 m 见煤，4 m 见岩石；

（4）4-7 探孔显示0.5 m 见煤，4 m 见岩石；4-8探孔显示2 m 见煤，4 m 见岩石；

（5）4-9 探孔显示0.8 m 见煤，4 m 见岩石；4-10探孔显示2 m 见煤，4 m 见岩石；

（6）4-11 探孔显示眼底见岩；4-12 探孔显示眼底见岩。

根据4-1 探孔、4-2 探孔、4-3 探孔、4-5 探孔、4-7 探孔、4-9 探孔探测结果，可以推断目前揭露断层为逆断层，上、下盘煤层相对位置如图4。根据4-4探孔、4-6 探孔、4-8 探孔、4-10 探孔探测结果，可以推断此断层揭露部分从巷道左帮向右帮发育，上盘煤层在巷道上部从左帮向右帮逐渐变厚。

图4 DNF64 断层再次揭露预想剖面示意图（m）

2.4 过断层方案

根据以上推断煤层相对位置以及4-11 探孔和4-12 探孔探测结果，制定煤巷掘进过DNF46 断层方案。具体方案为：在巷道437 m 处迎头以10°上山留底煤掘进施工，揭露上盘煤层底板后，巷道以16°上山托顶煤施工，直至进入全煤，共计全岩5 m，半煤岩19 m。过断层方案预想剖面示意图如图5。

图5 过DNF64 断层方案预想剖面示意图（m）

支护方案：巷道过断层期间，顶板托顶煤施工时，采用Φ20 mm×2200 mm 高强锚杆+金属网+双抗网+M 钢带（4 m）支护；两帮采用Φ18 mm×2200 mm 高强锚杆+金属平网+木托盘支护，锚杆间排距为800 mm×700 mm。当顶锚杆锚固在煤层中时，钢带第2、5 个眼孔布置锚索加固，锚索直径为Φ18.9 mm，长度为6.3 m。巷道采用双排锚索梁加固，锚索间排距为1300 mm×1500 mm，锚索梁为12#槽钢加工，长度3 m，一梁三索，锚索直径为Φ18.9 mm，长度为6.3 m。

3 结论

根据三维地震勘探资料及相邻巷道实际揭露情况分析，21408 轨道顺槽掘进受到DNF64 逆断层影响。在掘进过程中，前后两次揭露DNF64 逆断层，通过在巷道内布置探孔预判断上、下盘煤层相对位置。以此为依据和指导，在初次揭露断层时优化巷道方位角变化设计方案，再次揭露断层时制定过断层方案，保证煤巷正常掘进，为以后煤巷快速掘进过程中出现类似问题提供经验。