開元礦井下探放水方案設計及應用

鄭建龍

（華陽集團 開元公司，山西 晉中 045400）

0 引 言

開元公司位于山西省壽陽縣城北西14 km 處，西距太原45 km，占地面積27.5 km2。南鄰太舊高速，中部有307 國道，坑口有石太運煤鐵路專線，交通便利。開元礦15402 巷道通過地質勘測，其頂板上方存在采空區積水問題，給巷道掘進帶來潛在危險。實踐表明，漏水是引發礦井安全事故的關鍵因素之一，巷道頂部采空區積水或圍巖積水是導致的巷道頂板漏水的主要因素。針對積水問題，可采取探放水技術進行治理，將采空區或圍巖內部的積水超前排放，解決頂板漏水隱患。然而，井下工況復雜，探放水作業中多會出現各種施工問題，影響探放水作業安全和進度。因此，必須結合礦井實際，對探放水的工藝和技術進行設計，以提高探放水施工技術水平，確保煤炭開采安全。

1 探放水工程概況

開元礦15402 巷道位于采區的北側，該巷道沿著9 號煤底板進行采掘，巷道橫斷面呈矩形，寬度4.6 m、高度3.3 m，總長2 303 m。15402 巷道所在的煤層多為石炭系煤層，煤層厚度3.51～5.8 m，平均厚度4.93 m。煤層工作面周邊區域未出現明顯的斷層及其他不良狀況，地質構造相對簡單。15402 巷道直接頂圍巖為砂質泥巖，圍巖平均厚度2.63 m。煤炭開采作業中易出現圍巖壓力波動，導致頂板圍巖發生斷裂、破碎等問題。基本頂也屬于砂質泥巖，平均厚度4.98 m。底板為砂質泥巖、局部細粒砂巖，平均厚度13.7 m。采空區距頂板約10 m，采空區存有積水。15402 巷道掘進中容易出現頂板漏水現象，嚴重威脅生產安全，影響施工進度。因此，為確保巷道掘進安全，采取科學的探放水措施。

2 井下巷道探放水方案設計

2.1 探放水施工設備選擇

根據15402 巷道的實際狀況，進行探放水施工方案的設計。鉆孔設備采用CMSI-8000/90 型礦用深孔鉆車，選擇φ42 mm 鉆頭、φ65 mm 鉆桿，鉆孔深度為70 m。

2.2 探放水方案中孔位的布置

為有效保障巷道采掘作業中的探放水效果，在工作面迎頭區域布置7 個探放水鉆孔，編號依次為K1～K7。孔深全部為70 m，鉆孔呈扇形分布，具體如圖1 所示。

圖1 探放水鉆孔的位置分布情況Fig.1 Position distribution of water exploration and drainage borehole

K1～K4 孔主要用于控制頂板漏水問題，在距離頂板1 500 mm 的區域實施鉆孔，孔間距為800 mm，鉆孔的仰角均為12°，水平角有所不同，其中K1、K2 鉆孔水平角為0，K3、K4 鉆孔水平角分別為-13°及13°。K5～K7 主要用于控制工作面迎頭漏水問題，在距離頂板2 000 mm 的區域實施鉆孔，孔間距為800 mm，鉆孔仰角均為0，水平角依次為-8°、0、8°。15402 巷道探放水鉆孔布置參數詳見表1。

表1 運輸巷道探放水方案中鉆孔布置情況Table 1 The layout of boreholes in the scheme of water exploration and drainage in transportation roadway

依據15402 巷道探放水方案，為確保巷道掘進安全，探放水鉆孔超前保護距離、巷道允許掘進距離、幫距分別為40 m、30 m、16 m。

3 井下探放水施工及安全措施

（1）依照探放水方案，準備施工前必須對鉆孔周邊巷道的頂板、圍巖情況進行詳盡檢查。在工作面迎頭2 000 mm 的位置設立一排木樁，樁間距500 mm，確保木樁在頂板和底板之間支撐牢固。然后在木樁上設置擋板，以預防鉆孔施工作業中發生突水，對人員、設備造成傷害。在距離工作面迎頭40～50 m 的區域設置臨時水槽，并配置排水設施，結合施工情況將水槽內的水排至采區水倉。

（2）鉆機安裝前必須對安裝區域進行安全檢查。鉆機要求依照安裝規范進行組裝，確保鉆機自身穩定性。鉆機的停送電必須執行票證制度，鉆孔作業前在孔口部位設置安全設施（如鉆桿逆止閥、孔口管等），以確保施工安全。鉆孔作業中出現異常，如水壓猛增、煤壁片幫、煤壁松軟等，立即中斷作業，但鉆桿不能取出，將異常問題解決后方可繼續作業。如水壓增大，可采用反壓鉆進技術進行作業，同時在鉆機中增設防噴裝置。

（3）探放水施工中，技術人員要立足現場進行指導，明確鉆孔的布局及技術要求。鉆孔作業前，依據水文地質資料計算積水區的水壓大小，制定應對措施。

（4）鉆孔作業中，詳細記錄必要的鉆孔數據（如煤層厚度、鉆孔深度等）。每鉆10 m 或鉆具更換時均要進行一次測量，記錄相關數據。設瓦斯監測專職人員進行瓦斯濃度監測。若瓦斯濃度急劇增加，立刻停止鉆孔作業，在場人員撤離至上風口區域，并采取瓦斯治理措施，瓦斯濃度降低后方可繼續鉆孔施工。鉆孔過程中已經探到水，則立即對水壓、水質、水量進行監測，并采取排水措施，避免對鉆孔作業帶來不便。鉆孔設計時必須綜合考慮巷道的排水能力。

（5）針對15402 巷道探放水施工作業制定針對性的應急預案，對可能突發的事件進行分析并制定相應的應急措施。

4 15402 巷道探放水效果分析

4.1 探放水總量統計

通過對探放水鉆孔過程中的數據統計，探放水總水量時間變化曲線如圖2 所示。從圖2 可知，15402 巷道工作面經過探放水鉆孔施工后，探放水總量12 萬m3。探放水初始階段，鉆孔數量較少并且鉆孔不通暢，因此排水量變化不明顯。隨著鉆孔數量的增加及鉆孔堵塞問題的消除，排水量呈現迅速增長的趨勢。經過進30 d 的排水，放水量趨于穩定，該巷道頂板上部區域采空區積水基本排除完畢。

圖2 探放水總水量隨時間的變化曲線Fig.2 Variation curve of total water discharge with time in the process of water exploration and drainage

4.2 鉆孔水壓效果評價

以K6 探放水鉆孔為例，分析該鉆孔隨著時間推移的變化情況，如圖3 所示。由圖3 可知，K6探放水鉆孔初始階段水壓約1.6 MPa，經過8 d 的放水，水壓降到1.36 MPa。之后的探放水期間出現一定的水壓波動，但總體呈現下降趨勢。

圖3 K6 探放水鉆孔水壓隨時間的變化情況Fig.3 Variation of water pressure of No.K6 water exploration and drainage borehole with time

監測過程中發現K6 鉆孔水壓峰值為1.65 MPa，后期分析導致該情況的發生原因主要有：測量誤差；鄰近鉆孔堵塞造成K6 鉆孔水壓局部升高；巷道頂板上部采空區積水水壓自身不穩定等。

在26 d 后的多次水壓測量中，K6 鉆孔水壓基本位于1.36 MPa 左右，說明經過一段時間的探放水，15402 巷道頂板采空區的水壓處于相對穩定狀態，為巷道掘進奠定了基礎。

5 結 語

開元礦15402 巷道頂板存在采空區積水，導致巷道掘進過程中出現頂板漏水現象，威脅巷道安全掘進，影響施工進度。針對這一問題進行分析研究，決定對15402 巷道頂板上方采空區積水進行探放。根據開元礦15402 巷道實際狀況，制定了探放水作業方案，并對施工作業中的注意事項進行闡述。探放水方案實施后，根據放水量和探放水鉆孔水壓監測數據表明，探放水作業達到預期的效果，探放水總量12 萬m3，巷道漏水現象顯著減少，為巷道安全掘進奠定了基礎。