火成岩岩脉(墙)侵蚀对工作面的影响

王成龙,罗文柯,2*,陆俊翔,黄妍

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201)

近年来,受火成岩影响的井田数量随着煤矿开采深度不断增加而增多[1].火成岩侵蚀煤层时,引发地质变化与煤质变化[2],同时也会增大煤与瓦斯的突出风险[3],常常给煤矿开采带来许多难题[4-7].国内学者针对火成岩侵蚀对煤矿开采的影响进行了许多研究.蔡春城等[8]通过数值模拟结合实验验证的方法,发现火成岩以岩墙或岩床形式侵蚀对煤层的热变质影响不同;令狐博[9]发现侵蚀程度强的火成岩取代了原有煤层位置,侵蚀程度弱的使煤发生硅化作用和热接触变质;孟凡军[10]对火成岩侵蚀的选择性、分带性及侵蚀通道等特征进行了分析,得出火成岩侵蚀特点与煤层的地质条件相关;刁玉杰等[11]研究发现火成岩侵蚀不仅会破坏原有的含水层结构,同时侵蚀产生的裂隙会导致煤层与其他含水层发生水力联系;张建民等[12]通过对阜新刘家区火成岩的产状、分布规律等特征分析,得出火成岩侵蚀对地下水储集、运移和对临近井压裂效果造成不利影响的结论;涂肖标[13]针对某矿受火成岩侵蚀的3920工作面提出了一种瓦斯综合治理技术;刘辉等[14]通过监测煤层矿压受采动影响时对超前支护的影响范围,揭露了火成岩侵蚀背景下工作面的矿压显现规律;李强等[15]针对火成岩顶板诱发工作面冲击地压的问题,采用了顶板剪切梁模型,定义了3个临界指标来判定是否发生冲击地压.

本文基于祁南煤矿101采区火成岩以岩墙形式侵蚀对工作面的影响研究,探寻导致已确定回采工作面报废的深层次原因及其他重要影响因素,为同类矿井的火成岩岩脉(墙)侵蚀下的工作面布置提供重要参考价值.

1 研究区概况

祁南煤矿位于安徽宿州埇桥区祁县镇境内.矿井含煤地层属二叠系下统山西组、下石盒子组和上石盒子组.含煤地层厚度约940 m,分上、中、下3个煤组,下煤组可采煤层为单一10煤层.其中10煤层位于山西组中部,上距9煤层56～99 m,平均75 m.10煤综合柱状图如图1所示.主要研究区域为101扩大采区,位于101采区东翼,已回采4个区段10112,10113,10114和10115.扩大采区范围为10115机巷以东至采区边界,长约1 900 m,宽约800 m.

图1 祁南煤矿10煤综合柱状图

2 101采区火成岩侵蚀区勘探分析

2.1 初次勘探情况及工作面设计

2.1.1 初次勘探情况

截至2014年底,101采区初次勘探共施工14个钻孔,勘探钻孔孔间距300～600 m,根据勘探资料表明,补25#勘探线上4个钻孔均可见到火成岩,且被侵蚀成煤-火成岩-焦煤互层结构特点;在17-18#勘探线上17-18-1#,17-18-2#,17-18-4#均被火成岩侵蚀;18#勘探线上只有18-3#见到火成岩,另外18-4#煤层有局部烘烤现象.初次勘探火成岩侵蚀情况如图2所示.

图2 初次勘探钻孔分布及火成岩侵蚀情况

2.1.2 工作面划分

根据初次勘探情况,划分火成岩侵蚀范围和工作面,如图3所示.由勘探钻孔资料发现未被火成岩侵蚀的区域煤炭资源丰富,于是以火成岩侵蚀形成的围岩为自然边界,划分出2个综采工作面10116和10118,工作面地层整体走向近EW，倾向N.10116工作面设计走向长为1 258 m,倾斜宽为189 m;10118工作面走向长为993 m,倾斜宽为197 m.

图3 初次勘探火成岩侵蚀范围与工作面划分

在101东翼轨道大巷掘进过程中,发现部分火成岩从巷道顶板入侵的情况,超出了原划定的火成岩区域,说明初次勘探确定的火成岩边界不精确,需要进行补充勘探.

2.2 补充勘探报告分析及工作面设计

2.2.1 2015年—2016年勘探情况

2015年共施工4个钻孔,补充的钻孔主要分布在工作面周边原定无火成岩侵蚀区域,提高工作面周围火成岩区域划分的精确程度.在4个钻孔中均未发现火成岩,并且认为18-4#孔附近火成岩侵蚀为小范围零星分布.在2016年勘探过程中,补充的5个钻孔分布范围由工作面向火成岩侵蚀边界区域扩大,在原定无火成岩侵蚀区域发现火成岩侵蚀,即2016-12#,2016-14#,2016-17#钻孔处,其中2016-14#钻孔火成岩厚度达4.23 m,煤层全部侵蚀变质,致使原10118设计工作面失效.2016年勘探后侵蚀范围和工作面划分如图4所示.

图4 2016年勘探火成岩侵蚀范围与工作面划分

2.2.2 2017年补充勘探情况

因在2016-12#发现火成岩侵蚀,为进一步判断火成岩对工作面的影响情况,在2017年又施工4个钻孔,其中有3个钻孔反映10煤受火成岩侵蚀影响.2017-5#和2017-9#孔火成岩较厚,分别为3.35和3.63 m,结合2016-12#孔0.4 m的火成岩厚度,认为火成岩侵蚀区覆盖原10116工作面,使火成岩侵蚀面积进一步大幅增加.另外,截至2017年底10116机巷已揭煤施工约50 m,根据实揭以及在10116机巷向工作面内部施工的2个探查孔所反映的资料发现,均有不同程度的火成岩侵蚀,印证了此次划分范围,发现工作面前方存在面积较大的火成岩侵蚀.原10116工作面被火成岩切断.2017年勘探后侵蚀范围和工作面划分如图5所示.

图5 2017年勘探火成岩侵蚀范围与工作面划分

2.2.3 2018年补充勘探情况

因10116工作面发现大面积火成岩侵蚀,为进一步探明工作面后方可采煤层面积,截至2018年3月底又施工2个钻孔,其中2018-10#钻孔发现存在0.4 m火成岩,2018-11#钻孔未见火成岩,但局部煤层受烘烤.由此可基本确定火成岩将10116工作面开切眼附近全部侵蚀,2018-11#附近存在火成岩,火成岩侵蚀范围比2017年底预测范围有所增大.2018年勘探后侵蚀范围和工作面划分如图6所示,至此10116工作面煤层分布情况基本确定.

图6 2018年勘探火成岩侵蚀范围与工作面划分

3 祁南101采区火成岩侵蚀对工作面的影响分析

3.1 对101采区回采工作面布置的影响

经过初次勘探,101采区18#勘探线附近存在大量可采煤层.遂以火成岩岩墙为边界布置了2个工作面10116和10118.但通过实际掘进情况与加密补充勘探钻孔发现,火成岩侵入的形态和面积与初次勘探的预测情况不相符,使得10116工作面被切断、10118工作面失效.火成岩侵蚀方式和侵入通道的复杂性给工作面布置造成很大的被动.

3.2 对101采区巷道掘进的影响

在101东翼轨道大巷的掘进过程中,在原定无火成岩侵入的巷道顶板发现大量火成岩,掘进至10116工作面开切眼施工面内探查孔后,亦发现10煤被大面积侵蚀燃烧.因此需要施工大量勘探钻孔确定火成岩分布情况,使得采掘工作周期延长;同时火成岩侵蚀导致煤层顶板强度降低,也增加了掘进过程的安全隐患.

3.3 对101采区10煤回采工艺的影响

从图2～图6可以看出,勘探钻孔密度由300～600 m加密至115～490 m,火成岩与10煤分布情况逐渐明晰.最终勘探结果显示,由于火成岩大面积侵蚀,导致原10116和10118工作面无法布置规整的综采工作面,但工作面内仍有大量可采资源,工作面的情况符合炮采工艺条件,推荐采用炮采工艺对10煤进行采掘,避免资源浪费.

3.4 对101采区10煤采掘收益的影响

综合上述分析结果,在10116和10118工作面中,现已查明的火成岩侵蚀区域面积占比约50%,相较初次勘探结果侵蚀面积增加约331 100 m2.火成岩一般沿煤层中上部侵蚀,侵蚀厚度为0～4.23 m,平均0.7 m左右.预计在工作面内部,还有未查明的零星或小范围的火成岩侵蚀区域.火成岩的侵蚀导致10煤降低或失去工业价值,同时补充勘探钻孔的施工增加了生产成本,使得工作面内10煤的经济效益降低.

4 结论

1)随着勘探不断深入,101采区火成岩侵蚀范围逐渐明确.原设计工作面被火成岩切断,无法布置规整工作面;同时由于火成岩的烘烤作用,使部分煤层工业价值降低.在该条件下布置工作面时,需要考虑其经济效益.

2)火成岩以岩墙形式侵蚀条件下,初次勘探可能无法完全查明火成岩侵蚀范围.在发现火成岩侵蚀超出原定区域的情况下,应停止掘进,通过加大勘探钻孔密度和施工探查孔的方式探明前方情况;同时火成岩存在于巷道顶板时,应加强对该区段巷道支护的管控.

3)101采区被火成岩以岩脉(墙)侵蚀后,火成岩侵蚀导致10煤分布散乱,原正规综合机械化采煤工艺不再适用,建议采用炮采工艺回收煤炭资源.