回采巷道富水區域掘進超前探放水技術研究

康 濤

(山西焦煤汾西礦業集團 安全監察中心，山西 孝義 032300)

隨著開采強度不斷增加，淺部賦存條件較好的煤巖資源儲量基本開采殆盡，礦井逐漸向深部區域開采[1-2]。深部區域煤炭開采時，受地下水影響更為明顯，地下水會導致巷道圍巖變形加劇，嚴重時甚至出現淹井事故，因此對礦井涌水進行治理成為煤炭回采時需要重點解決的問題[3-6]。山西某礦5605運輸巷在掘進過程中出現頂板淋水問題，淋水量平均在6.3 m3/h，同時巷道底板出現一定積水、頂板及巷幫出現較大變形。為此，探明5605運輸巷頂板涌水原因并針對性采取防治水措施對確保巷道掘進安全具有重要意義。

1 工程概況

山西某礦開采區域內有3號、5號、6號、9號以及11號等煤層，現開采主要集中在6號煤層。6號煤層厚度平均3.03 m、埋深530 m，煤層結構簡單，中間夾雜有一層厚度0.2 m泥巖矸石。5605運輸巷位于5采區，沿著6號煤層底板掘進，設計掘進長度1 510 m，矩形斷面，凈寬、凈高分別為5.0 m、3.0 m，采用錨網索支護方式。6號煤層頂底板巖性以泥巖、石灰巖以及細砂巖為主，具體地層情況如圖1所示。

圖1 6號煤層地層柱狀

5605運輸巷采用EBZ260綜掘機，巷道掘進至650 m時頂板淋水開始增加，現場監測發現頂板淋水量介于3.5～9.1 m3/h，均值為6.3 m3/h，同時巷道底板存在一定積水。在淋水影響下，巷道頂板錨網索出現銹蝕，部分區域甚至出現頂板懸頂問題，給巷道掘進安全帶來較大威脅。具體5605運輸巷頂板淋水巷道現場情況如圖2所示。

圖2 淋水段巷道現場

2 巷道頂板淋水原因分析

2.1 頂板巖層礦物成分分析

在5605運輸巷頂板淋水較大取樣并采用X衍射儀對礦物成分進行測試，具體現場取樣及測試結果如圖3所示。從測試結果看出，頂板巖層中礦物成分以高嶺石、石英以及黏土等為主，具體含量分別為58.7%、24.2%、15.6%.高嶺石以及粘土等遇水均會出現膨脹、軟化，同時孔隙較高。

圖3 頂板巖樣及成分

2.2 含水層及頂板淋水分析

5605運輸巷掘進揭露的部分采空區、廢棄巷道內存在一定積水，表明頂板巖層裂隙較為發育。在巷道掘進過程中需要對采空區以及廢棄巷道內進行疏排水。

6號煤層頂板直接涌水水源為基本頂石灰巖裂隙水及上方的砂巖含水層，6號煤層頂板含水層富水性較差，水力聯系較弱，一般情況下，對6號煤層回采影響不大。5605運輸巷掘進至650 m時，頂板淋水量顯著增加的主要原因是此位置正處于區域背斜軸部，從而頂板含水層出現水集聚。6號煤層基本頂石灰巖及其上覆砂巖含水層沿著頂板裂隙向5605運輸巷滲出過程中，在水的作用下，頂板巖層弱化、產生新的裂隙，從而豐富導水通道。

頂板含水層水量局部集聚、頂板導水裂隙通道發育以及頂板巖層含有較多的高嶺石以及粘土等組分是導致5605運輸巷掘進過程中頂板淋水量較大的主要原因。通過對頂板含水層進行定向疏排即可有效解決巷道頂板淋水問題[7]。

3 探放水鉆孔施工

為了徹底解決5605運輸巷頂板淋水較大問題，提出綜合使用定向長鉆孔、短距離探放鉆孔對頂板含水層進行疏排。

3.1 定向長鉆孔

5605運輸巷頂板淋水水源主要為基本頂上覆砂巖含水層，為此設計的定向長鉆孔主要在層位內。具體在5605運輸巷掘進迎頭后方10 m位置，布置寬度8.0 m、深度6.5 m、高度3.0 m鉆場，在鉆場內采用ZDY6000LD定向鉆機施工長度500～1 000 m定向探放水鉆孔；現場共計施工3個定向探放水鉆孔，水平投影位置分別位于掘進迎頭、掘進外輪廓線20 m位置；定向探放水鉆孔終孔高度位于頂板上方25 m位置。

具體鉆孔布置情況，如圖4所示。

圖4 定向長鉆孔布置示意

3.2 短距離探放水鉆孔

在5605運輸巷迎頭使用ZY-750D鉆機，配合73 mm鉆頭、D63 mm×1 500 mm鉆桿施工短距離探放鉆孔。使用的ZY-750D鉆機鉆進壓力、額定功率分別為25 MPa、22 kW，可滿足現場探放水需要。

在5605運輸巷迎頭布置2排探放水鉆孔，上排鉆孔用以對頂板富水體進行探測、疏排；下排鉆孔用以對6號煤層中的富水體進行探測、疏排。

上排探放水鉆孔(1號～5號)仰斜17°，開孔距離巷道底板2.5 m、間距均為700 mm，終孔位于頂板上方20 m處，用以對頂板裂隙水進行探測及疏排；1號鉆孔垂直迎頭布置，2號、4號分別有10°偏移角，3號、5號分別有20°偏移角。

下排探放水鉆孔(6號～8號)仰角均為0°，開孔位于底板上方1.5 m處，鉆孔間距均為1 600 mm。6號鉆孔垂直掘進迎頭布置，7號及8號鉆孔均有20°偏移角，具體鉆孔布置如圖5所示。施工的短距離探放鉆孔孔深均為60 m，探測一次允許掘進40 m，預留20 m。

圖5 短距離探放水鉆孔

4 現場探放水效果分析

1) 在5605運輸巷施工的長距離定向鉆孔耗時3個月完成鉆進，鉆進完成后累計疏排頂板含水層裂隙水約1.25萬m3，通過提前疏排降低5605運輸巷掘進過程中頂板裂隙水水頭壓力，降低頂板大規模涌水威脅。

2) 在5605運輸巷掘進過程中，每掘進40 m布置1組短距離探放水鉆孔，對頂板裂隙水以及掘進前方煤體內積水進行疏排。施工的短距離探放水鉆孔疏排水量共計5 360 m3，整體排水量較小，同時疏排水集中在巷道掘進650～900 m范圍內。

3) 5605運輸巷通過定向長鉆孔、短距離探放水鉆孔對頂板裂隙水進行疏排后，巷道掘進后僅650～760 m范圍頂板有少量淋水，淋水量基本在0.3 m3/h以內，其余范圍均未出現淋水。巷道支護體系銹蝕及頂板變形量較大問題也得以有效解決。

4 結 語

1) 5605運輸巷掘進過程中頂板出現大量淋水的主要原因是巷道掘進進入到區域背斜軸部，頂板含水層中積水量較大，通過掘進裂隙以及頂板原有裂隙向掘進空間涌出，從而導致頂板支護體系嚴重銹蝕、圍巖變形量較大。

2) 在5605運輸巷內，綜合使用定向長鉆孔、短距離疏排水鉆孔對巷道頂板上覆含水層積水進行疏排，通過定向長鉆孔提前降低掘進工作面前方頂板含水層積水，從而減少含水層水頭壓力以及后續短距離疏排水鉆孔疏排水壓力；通過短距離疏排水鉆孔進一步對圍巖內積水進行疏排，可避免淋水給巷道掘進影響。

3) 現場應用后，5605運輸巷頂板淋水問題基本得以解決，巷道掘進過程中僅局部位置頂板出現少量淋水，現場取得較好的探放水效果。