頂板裂隙水及小煤窯采空區(qū)影響區(qū)掘進(jìn)巷道探放水技術(shù)研究

張大輝

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 靈北煤礦，山西 靈石 031302)

水害是引起礦井安全事故的主要災(zāi)害之一。當(dāng)井下出現(xiàn)嚴(yán)重突水時(shí)，輕則導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，重則淹沒整個(gè)采掘作業(yè)面或者礦井，給井下作業(yè)人員身體健康以及礦井煤炭開采帶來較大威脅[1-2]。在進(jìn)行采掘作業(yè)時(shí)，為確保生產(chǎn)安全，需要采取各種技術(shù)措施進(jìn)行超前探放水工作[3]。現(xiàn)階段采用的探放水技術(shù)措施包括長(zhǎng)、短鉆孔以及定向鉆孔等，但是探放水鉆孔施工仍存在一定程度的質(zhì)量差、效率低以及鉆孔布置參數(shù)不合理等問題，從而給探放水工作帶來一定影響[4-8]。山西某礦3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，巷道頂板存在小煤窯采空區(qū)且賦存位置不清楚，加之頂板裂隙水涌水影響，巷道存在一定的突水危險(xiǎn)性。為此，提出綜合使用定向長(zhǎng)鉆孔、物探以及短距離鉆孔進(jìn)行探放水，以便提高探放水效率并為巷道安全高效掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

山西某礦為整合礦井，礦井開采范圍內(nèi)有3號(hào)、5號(hào)、9號(hào)以及11號(hào)等煤層，其中淺部的3號(hào)煤層受小煤窯開采破壞，采空區(qū)分布位置不詳。3號(hào)與5號(hào)層間距平均25 m，層間巖層以泥巖、砂質(zhì)泥巖等為主，裂隙不發(fā)育。現(xiàn)階段礦井生產(chǎn)主要集中在5號(hào)及9號(hào)煤層。5號(hào)煤層厚度均值3.59 m，傾角5～10°，賦存穩(wěn)定。

3506運(yùn)輸巷沿著5號(hào)煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度1 956 m，巷道斷面為矩形(凈高3 500 mm、凈寬4 500 mm)，采用綜掘方式，掘進(jìn)進(jìn)尺平均240 m/月，采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝控制圍巖。根據(jù)已有水文地質(zhì)資料顯示，5號(hào)煤層頂板上覆25 m位置存在有砂巖裂隙水含水層，富水性中等，水壓約為1.25 MPa。3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間面臨的主要難題是頂板小煤窯采空區(qū)積水以及頂板裂隙水從圍巖裂隙中涌出，為確保巷道掘進(jìn)安全，需要針對(duì)進(jìn)行探放水工作。

2 超前探放水技術(shù)方案

為降低頂板裂隙水以及賦存位置不明的采空區(qū)積水給3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)影響并避免掘進(jìn)期間突水事故發(fā)生，提出采用定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)巷道頂板進(jìn)行超前探測(cè)(疏排)，并在掘進(jìn)期間綜合使用物探以及短距離探測(cè)(疏排)鉆孔。通過超前鉆孔，降低頂板裂隙水水頭壓力并疏排采空區(qū)內(nèi)積水，從而為巷道掘進(jìn)創(chuàng)造相對(duì)良好條件。

2.1 定向長(zhǎng)鉆孔

采用定向長(zhǎng)鉆孔主要目的為頂板采空區(qū)積水探測(cè)及疏排、頂板裂隙水超前疏排，避免巷道掘進(jìn)期間出現(xiàn)突水并降低頂板淋水量。為避免定向長(zhǎng)鉆孔施工給巷道掘進(jìn)影響，在3506運(yùn)輸巷左幫位置間隔500 mm施工1個(gè)鉆場(chǎng)(鉆場(chǎng)寬度8.0 m、深度6.5 m、高度3.5 m)，巷道內(nèi)共計(jì)施工3個(gè)鉆孔，可實(shí)現(xiàn)定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)掘進(jìn)范圍圈覆蓋。鉆場(chǎng)內(nèi)布置3個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔孔深控制在500～1 000 m，具體鉆孔布置如圖1所示。在巷道掘進(jìn)期間間隔500 m布置1個(gè)鉆場(chǎng)。

圖1 定向長(zhǎng)鉆孔布置示意

鉆孔開孔均位于鉆場(chǎng)底板1.5 m處，開孔間距1.5 m，鉆孔終孔層位位于巷道頂板上方25 m位置，控制巷道掘進(jìn)外輪廓線20 m。定向長(zhǎng)鉆孔施工采用ZDY6000LD鉆機(jī)，具體鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。鉆孔結(jié)構(gòu)為二開，鉆孔開孔段孔徑為153 mm，下放長(zhǎng)度20 m、孔徑127 mm接口管；在巷道頂板上覆25 m位置鉆孔孔徑96 mm。

圖2 履帶式鉆機(jī)示意

表1 鉆機(jī)參數(shù)

定向長(zhǎng)鉆孔采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔長(zhǎng)度20 m，使用的主要封孔設(shè)備包括有2個(gè)PKN封孔器、注漿軟管、2ZBQ-6/4封孔器等，具體鉆孔封孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。鉆孔封孔材料XZKFL-I礦用封孔材料，封孔壓力1.5 MPa。封孔完成后向鉆孔內(nèi)注入3～4 MPa清水并測(cè)試15 min以上，當(dāng)孔壁不滲水、封孔結(jié)構(gòu)不竄動(dòng)時(shí)認(rèn)為封孔質(zhì)量合格。

圖3 定向長(zhǎng)鉆孔封孔結(jié)構(gòu)示意(mm)

2.2 短距離鉆孔施工

2.2.1 鉆孔布置

在3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間綜合使用“物探、鉆探”相結(jié)合方式對(duì)頂板采空區(qū)積水以及裂隙水賦存區(qū)進(jìn)行探測(cè)。在施工期間通過YTD400(A)探儀器對(duì)掘進(jìn)迎頭前方80 m范圍內(nèi)是否存在低阻異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)，具體巷道掘進(jìn)至380 m位置時(shí)掘進(jìn)前方探測(cè)結(jié)果如圖4所示。其中1號(hào)低阻異常區(qū)位置預(yù)測(cè)頂板水富集、1號(hào)高阻區(qū)疑似為地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)。

圖4 YTD400(A)探儀器探測(cè)成果圖

通過YTD400(A)探儀器探測(cè)成果及長(zhǎng)距離鉆場(chǎng)施工結(jié)果等可在一定高程度上指導(dǎo)短距離鉆孔設(shè)計(jì)。短距離鉆孔鉆進(jìn)采用ZLJ-400鉆機(jī)，配合D10 mm、長(zhǎng)1 000 mm鉆桿，鉆頭D45 mm。掘進(jìn)迎頭位置向巷道頂板施工短距離探測(cè)鉆孔，鉆孔終孔位于頂板25 m，控制掘進(jìn)外輪廓線20 m，具體布置如圖5所示。1號(hào)～3號(hào)鉆孔用以對(duì)掘進(jìn)迎頭及巷幫位置進(jìn)行探測(cè)；4號(hào)～6號(hào)鉆孔用以對(duì)巷道頂板裂隙水以及采空區(qū)積水進(jìn)行探測(cè)。

圖5 短距離鉆孔布置示意

在鉆孔施工期間嚴(yán)格按照要求進(jìn)行，單循環(huán)探測(cè)巷道掘進(jìn)迎頭前方70 m范圍內(nèi)，允許掘進(jìn)40 m，預(yù)留有30 m保護(hù)距離。在短距離探測(cè)鉆孔施工時(shí)應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)迎頭煤層傾角、頂板巖層傾角等變化情況對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在短距離探測(cè)鉆孔施工期間，若發(fā)現(xiàn)頂板有水源時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行疏排。

2.2.2 安全技術(shù)措施

為確保3506運(yùn)輸巷短距離探測(cè)鉆孔施工安全，在鉆孔施工期間應(yīng)制定必要的安全技術(shù)措施。

1) 在鉆孔施工期間，首先應(yīng)確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全。在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)對(duì)巷道周邊環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，施工點(diǎn)頂板支護(hù)必須可靠，避免頂板碎石下落或者局部冒頂?shù)冉o現(xiàn)場(chǎng)施工人員安全帶來影響。

2) 在鉆孔施工過程中，若發(fā)現(xiàn)煤體松軟、鉆孔出水量超過正常供水量、鉆孔頂鉆或者出水水壓突然增大等情況時(shí)，應(yīng)暫停施工并及時(shí)匯報(bào)，并安排專人對(duì)鉆孔出水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3) 強(qiáng)化短距離探測(cè)鉆孔出水征兆監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有透水或者涌水征兆時(shí)，應(yīng)立即向調(diào)度室匯報(bào)并回撤受威脅區(qū)內(nèi)作業(yè)人員，待采取可靠安全技術(shù)措施后方可允許施工。

4) 在探測(cè)鉆孔施工期間，應(yīng)強(qiáng)化瓦斯涌出監(jiān)測(cè)，確保施工點(diǎn)瓦斯?jié)舛仍诎踩试S范圍內(nèi)。

3 防治水效果分析

在3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，采用定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)巷道掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)頂板裂隙以及采空區(qū)積水等進(jìn)行超前探測(cè)疏排，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔耗時(shí)3個(gè)月即可鉆進(jìn)完成，鉆孔鉆進(jìn)不會(huì)給巷道掘進(jìn)帶來影響。在3506運(yùn)輸巷內(nèi)共布置9個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔鉆進(jìn)總長(zhǎng)度為6 925.6 m，期間發(fā)現(xiàn)巷道580～715 m、1 023～1 168 m范圍內(nèi)均存在有采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)有少量積水。布置的定向長(zhǎng)鉆孔共計(jì)排放頂板裂隙水以及采空區(qū)積水共計(jì)66 087.2 m3，具體長(zhǎng)距離定向鉆孔疏排水情況如表2所示。通過超前疏排有效降低了巷道掘進(jìn)期間頂板突水危險(xiǎn)性。

表2 定向長(zhǎng)鉆孔疏排水統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭布置短距離探測(cè)鉆孔，鉆孔施工期間僅有少量鉆孔出現(xiàn)涌水情況，且鉆孔涌水量一般在5 m3/h，出水點(diǎn)主要集中在580～715 m、1 023～1 168 m范圍內(nèi)，該范圍主要為3號(hào)煤層采空區(qū)位置。因此，判定出水水源主要為采空區(qū)積水，鉆孔出水量整體較小，經(jīng)過定向長(zhǎng)鉆孔以及短距離鉆孔疏排，頂板采空區(qū)積水不會(huì)給巷道掘進(jìn)帶來威脅。

3506運(yùn)輸巷在掘進(jìn)期間頂板幾乎不出現(xiàn)淋水情況，通過綜合使用定向長(zhǎng)鉆孔、短距離探測(cè)鉆孔進(jìn)行超前疏排，可有效解決頂板裂隙水以及采空區(qū)積水給巷道掘進(jìn)影響。

4 結(jié) 語

3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間面臨的主要安全隱患為頂板裂隙水以及采空區(qū)積水，為降低水害對(duì)巷道掘進(jìn)影響，提出綜合采用定向長(zhǎng)鉆孔、物探以及短距離鉆孔進(jìn)行疏排。通過定向長(zhǎng)鉆孔不僅可提前對(duì)頂板裂隙水以及采空區(qū)積水進(jìn)行疏排，而且可具體確定頂板采空區(qū)位置，為后續(xù)巷道掘進(jìn)提供指導(dǎo)。

在3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭通過YTD400(A)探儀器確定低阻異常區(qū)，并通過短距離鉆孔進(jìn)行探測(cè)及疏排，可避免巷道頂板水對(duì)掘進(jìn)影響，進(jìn)一步提高巷道掘進(jìn)安全系數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，定向長(zhǎng)鉆孔累積疏排頂板裂隙水以及采空區(qū)積水約35 690 m3，短距離探測(cè)鉆孔施工時(shí)僅有少量鉆孔出水且出水量較小；巷道掘進(jìn)期間頂板基本不淋水。通過綜合探放水技術(shù)應(yīng)用，有效降低了水害對(duì)3506運(yùn)輸巷掘進(jìn)影響，為巷道安全高效掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件。