西曲礦8號煤黃泥帶賦存規律及安全開采技術

郭啟琛

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦， 山西 古交 030200)

太原西山煤田是我國最重要的焦煤生產基地之一，其下組煤8號煤頂板石灰巖，即L1廟溝灰巖是典型的淺海潟湖相沉積，該層灰巖厚度穩定，質地堅硬，使得8號煤在回采中便于支護，但在西山煤田西曲礦8號煤的回采過程中，工作面卻多次揭露煤層黃泥帶，黃泥帶的存在使得原本堅硬的頂板逐漸過渡成泥狀粘土，造成工作面空頂現象，支護及回采困難，對于井下安全造成極大的威脅[1]. 目前，對于煤層頂板黃泥帶的成因有初步的研究，如寧武煤田也存在煤層頂板灰巖逐漸變薄變軟甚至缺失的現象，郝甲飛、張國英認為其發育形態更趨近于煤層風氧化帶，主要受到基巖厚度、沉積環境和構造等因素影響，并通過數值模擬的手段對黃泥帶下的應力場進行了分析，提出了注漿加固快速通過的方案[2-3]；楊高峰針對西山礦區黃泥帶的地質特征進行了詳細的分析，認為黃泥帶的形成原因是構造發育區地表水入滲至碳酸鹽巖溶蝕導致[4]. 上述研究對于黃泥帶的根本形成原因及發育規律卻沒有結合區域沉積環境以及分布規律綜合分析。因此，本文以西山礦區西曲礦為例對8號煤頂板黃泥帶的特征及成因從區域地質沉積環境上進行分析，并總結了黃泥帶在盤區的發育規律。

1 研究區概況

西曲井田位于太原西山煤田北緣，井田面積34.315 2 km2，地形東北高西南低，井田東部礬石溝自北向南從地表穿過，平均蓋山約230 m. 礦井分+983 m和+1 072 m兩個水平、南和北兩個翼生產，其中南翼8個盤區，北翼5個盤區。井田內地層自老到新出露的有古生界石炭系上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組，上統上石盒子組及新生界第三系、第四系(圖1).

圖1 西曲礦太原組煤系地層綜合柱狀圖

西曲礦北三盤區位于西曲井田東北部，但與井田內其他盤區不同，該盤區8號煤頂板石灰巖普遍裂隙發育，富水性較強，同時頂板變軟發黃，整體性差，不易支護，風化嚴重的地方頂板及煤層相變為黃色的泥狀黏土，頂板硬度完全消失。如西曲礦 28308正巷沿8號煤掘進，設計斷面形狀為寬4.5 m，高3.5 m的矩形斷面，施工至地測9#點前56.8 m處時頂板由黑色灰巖逐漸相變為黃色泥巖，繼續掘進2 m后，頂板完全風化為黃泥，并向下發育至煤層中，使煤層失去光澤，變為黑泥狀。原設計的鐵棚加錨桿的聯合支護方式由于頂板裂隙帶處黃泥的存在，打設頂錨桿時，對圍巖的控制效果差，兩幫出現片幫，底板下陷，影響施工效率，增加了掘進期間的支護時間和成本，無法繼續正常掘進。目前，北三盤區已揭露的最大的黃泥帶在28406工作面中部，面積約3 360 m2.

2 黃泥帶成因分析及賦存規律

2.1 下組煤黃泥帶特征

北三盤區8號煤層已回采完畢5個工作面：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個工作面均不同程度地受到煤層黃泥帶的影響。截止目前，盤區內完全揭露的黃泥帶有11處，掘進巷道揭露12處(見表1).

表1 北三盤區揭露黃泥帶面積統計表

8號煤黃泥帶對工作面的掘進和安全回采影響極大，其影響范圍與陷落柱在工作面內影響范圍的情形相近，整體在平面上呈橢圓形，揭露前也存在煤層垮落、變質、失去光澤等現象。但不同于陷落柱發育的一般規律，井下揭露的黃泥帶特征可以概括為以下幾點：

1) 黃泥帶發育的地方在上覆及下伏煤層的開采中并無異常現象，其賦存情況不可以單純的依靠陷落柱的上下層位推理進行預測，工作面揭露往往是無計劃的。

2) 陷落柱揭露前，頂底板破碎，裂隙增多，但不存在相變為其他巖性的情況，而黃泥帶揭露前，往往隨著工作面的推進，煤層以及頂板逐漸變為泥狀黏土，造成該區域頂板缺失，隨著工作面推進，再由風化黃泥帶漸變為正常煤層及頂板(圖2).

圖2 北三盤區8號煤黃泥帶揭露前頂板巖性變化圖

3) 黃泥帶在揭露前往往工作面煤層向下形成較明顯的向斜褶曲，頂板發黃變軟，頂板及黃泥帶往往潮濕含水，水質分析顯示其為SO4·HCO3-Ca·Mg型，水質清澈，礦化度中等，與石灰巖內的巖溶裂隙水成分相近。

4) 黃泥帶揭露的區域，頂板以及黃泥帶中的巖石軟且破碎，往往含有大量的生物化石，以腹足類、瓣塞類為主，個體較小，殼體薄，雖呈聚集的群落出現但種屬較為單調(圖3).

圖3 北三盤區各工作面黃泥帶區域頂板生物化石群圖

2.2 沉積成因分析

西山地區晚石炭世-早二疊世太原組C3t沉積期以障壁島-潟湖-潮坪的障壁海岸沉積體系為主，其次發育碳酸鹽臺地相和沼澤相[5]. 西曲井田內太原組普遍沉積有3層石灰巖，分別為L1、K2和L4灰巖，表現為典型的碳酸鹽沉積；巖性沉積以灰色、灰黑色泥巖、砂質泥巖等為主，說明其當時的沉積環境是低能的；不同于本區其他段地層，其沉積有較厚的8號、9號煤層，證明其是一種海相沉積逐漸到陸相沉積過渡的體系，位于濱海平原區，并且當時的氣候條件易于植物的繁殖和沼澤化，形成了沼澤化的潟湖，因此研究黃泥帶的重點是分析清楚沼澤化潟湖的沉積環境。

潟湖是為海岸所限制、被障壁島所遮攔的淺水盆地，它以潮道與廣海相通或與廣海呈半隔絕狀態。潟湖中波瀾作用較弱，其環境相應的變得安靜、低能，沉積物以細粒陸源物質和化學沉積物質為主，當潟湖底部有H2S存在時，往往出現生物群絕跡[6].

結合西曲井田北三盤區介于海陸過渡相沉積環境，煤層含硫度較高，并且黃泥帶中大量聚集的化石沉積等因素綜合分析，初步分析黃泥帶形成的原因是：盤區當時的沉積環境為海陸過渡的沼澤化潟湖，潟湖中潮道發育，形成低洼含水區域，古代生物也都普遍聚集在潮道低洼區內，強流水和生物作用將原本沉積完好的地層破壞成黃泥狀，同時由于沉積區整體海進，后期形成還原環境強的淡化潟湖沉積相，低洼段整體出現生物群絕跡[7].

2.3 賦存規律分析

井下黃泥帶的發育對工作面的回采影響極大，科學地預測北三盤區黃泥帶的分布并針對性地提出合理的勘查技術方案是解決北三盤區工作面布置，礦井安全有序生產的關鍵問題。分析可知，黃泥帶的成因是潮道中強流水和生物聚集的風化作用導致的，因此需要分析清楚當時潮道的發育形態。

根據目前盤區已回采完的5個工作面及巷道掘進期間揭露的黃泥帶分布可以看出，北三盤區黃泥帶整體呈帶狀分布，為下一步預測黃泥帶可能出現的區域提供了良好的途徑。西曲礦北三盤區黃泥帶預測圖見圖4.

由圖4可知，28302、28301、28406、28307和28306工作面揭露的黃泥帶位于1號帶，28406工作面本身揭露的黃泥帶和28309工作面揭露的黃泥帶構成2號帶，28308、28307和28306工作面揭露的黃泥帶位于3號帶，位于黃泥帶范圍交匯處的黃泥帶面積最大，并且周圍黃泥帶分布也多，構成條帶的交點，對工作面的影響最大，如4號黃泥帶和預測的5號、7號、10號黃泥帶。通過將已經揭露的黃泥帶進行綜合分析，預測28310工作面不會受到這類黃泥帶的影響，但接下來將要生產的28309工作面將主要受到2號帶的影響，28306以及未來布置的28305工作面將主要受到1號和3號帶的影響，需要對這些可能受影響的地區進行綜合探測。

3 黃泥帶下煤層安全開采關鍵技術

以泥質類巖層為主的軟弱頂板或基巖風氧化帶巖層發育的頂板普遍強度低，塑形強，易于崩解、泥化，這些頂板在地質上的成因雖然與西曲礦黃泥帶成因有區別，但在回采過程中面臨的生產問題卻大致相同[8-9]. 8號煤層頂板黃泥帶會造成頂板產生非均衡性破壞和局部抽冒，由于黃泥帶潮濕富水，使得工作面回采期間支護和運輸都非常困難。目前，我國針對軟弱頂板下采煤采取的措施主要有留設煤巖柱或超前預注漿優化頂板支護方式兩種方法[10-11]. 西曲礦黃泥帶的產生往往是頂板的突然相變，平面形狀近似橢圓，為減少煤炭資源的浪費，保證黃泥帶內煤層安全開采，針對該礦黃泥帶下回采提出新的保障技術[12].

圖4 西曲礦北三盤區黃泥帶預測圖

3.1 超前探測，護-讓結合，縮小煤柱留設范圍

由圖4可知，西曲礦黃泥帶平面上往往成橢圓狀，并且其揭露只在幾條特定的條帶上，因此可以結合黃泥帶的分布規律，利用周邊巷道提前進行探測，在巷道設計之初提前規避黃泥帶，盡量將黃泥帶圈在工作面之外；若無法避免黃泥帶在工作面回采中的揭露，可以采用補巷、繞道等方式對黃泥帶進行規避。西曲礦28309工作面在掘進前，利用東側28308工作面正巷提前對28309工作面可能發育黃泥帶的區域進行超前探測，圈定了28309工作面黃泥帶的范圍，并通過掘進28309工作面外切眼的方式，縮小了工作面北側煤柱留設的范圍約6 800 m2，并結合工作面煤厚及頂底板巖性，提前選用了強初撐、高阻力的ZY5600型支架，采用超前移架、帶壓前移等措施，加快工作面推進速度。

3.2 結合物探預測超前預注漿，優化支護方式

結合盤區水文地質條件，在北三盤區工作面形成以后，均采用無線電坑透儀進行CT透視，結合探測到的地質弱面部位，重點對預測黃泥帶發育范圍內的破碎煤巖體進行注漿加固。西曲礦在28306工作面形成后進行無線電坑透，發現地質構造異常區與1號預測帶重疊，因此重點對該區域進行探測，并成功探測到預測4號黃泥帶和預測5號黃泥帶的范圍，預計其面積約2 160 m2. 礦井根據探測成果及時修改工作面設計，補充施工黃泥帶繞道及外切眼，使用固安特化學注漿加固頂板，并縮小巷道棚距至0.6 m，用工字鋼搭接硬化底板，于巷道中間每兩架棚子打設一根點柱，使工作面未來回采可以順利規避黃泥帶，減少了黃泥帶對28306工作面今后回采的影響，延長了工作面回采長度。

4 結 論

1) 通過對西曲礦黃泥帶發育沉積的特征進行分析，結合西山煤田沉積環境為典型的海相低能碳酸鹽沉積環境，預測北三盤區黃泥帶形成原因是沼澤化潟湖中潮道形成的低洼含水區域強流水和生物作用共同導致的。

2) 井下揭露的黃泥帶整體呈帶狀分布，綜合分析，預測接下來將要生產的28309工作面主要受到2號帶的影響，28306以及未來布置的28305工作面主要受到1號和3號帶的影響。

3) 通過采用超前探測、護-讓結合、縮小煤柱留設范圍、超前預注漿及優化支護方式等方法，西曲礦實現了黃泥帶內煤層的安全掘進和回采。