資源整合礦井老空水探放技術研究

閆錦浩

（汾西礦業正升煤業，山西 汾陽 032200）

0 引言

資源整合礦井在煤炭回采時，由于淺部的小煤窯生產布置不規范或者遺留的采空區位置不詳細，制約了后續瓦斯治理、防治水以及采面布置等工作[1-2]。特別是當采掘作業面靠近老空區積水區時，容易出現出水量增大甚至涌水等事故，為確保煤炭安全回采，需進行超前探放水[3]。常規的超前探放水鉆孔受鉆探距離小、施工精度低以及布置位置受限等多種因素影響，存在探放水效率低、耗時長以及影響后續生產等問題。隨著先進鉆進設備的推廣應用，定向鉆孔在煤礦井下瓦斯治理、地質構造探測以及防治水等領域的應用不斷增加，為井下老空水探放工作開展提供了新的途徑[4-6]。定向長鉆孔施工時通過隨鉆測量設備、帶一定彎角螺桿等可實時控制鉆孔鉆進角度、方位，掌握鉆孔軌跡，從而可明顯提高老空水探放效率[7-8]。山西某礦為資源整合礦井，井下12402 綜采工作面回風巷掘進時受采空區積水影響，因此，將定向長鉆孔應用到超前探放水中，以便為巷道掘進及煤炭回采創造良好條件，并降低老空水探放成本。

1 工程概況

1.1 地質概況

山西某礦為資源整合礦井，井田開采區域內有1號、2 號、3 號、7 號、9 號和13 號等多層煤層，煤層層間距較小。淺部的煤炭資源受小煤窯開采破壞，部分區域不可采，井田開采范圍內水文地質為簡單—中等。小煤窯開采形成的采空區積水會影響同煤層以及下部煤層采掘作業。12402 綜采工作面開采的2 號煤層賦存穩定，為優質無煙煤，發熱量高、開采經濟效益較好，2 號煤層傾角為2°～8°、煤厚均值為3.5 m，頂底板巖性以粉砂巖、炭質泥巖及泥巖為主，設計推進距離為2 150 m、傾向為208 m。12402 綜采工作面為孤島工作面，采面兩側均為采空區，與南側的12401采空區（采空區探測CO 濃度高，留設的保護煤柱較寬）間留設34.4 m 寬的保護煤柱、與北側的12403 采空區（為提高煤炭資源采收率，留設的煤柱較窄）間留設10 m 保護煤柱，具體采面位置如圖1 所示。

圖1 采面位置示意圖

12402 綜采工作面運輸巷為矩形巷道，設計掘進長度為2 225 m，沿著回采的2 號煤層底板掘進，巷寬×巷高=5.6 m×3.5 m。回風巷斷面為矩形，設計掘進長度為2 248 m，沿著回采的2 號煤層底板掘進，巷寬×巷高=5.6 m×3.5 m?；夭上锏谰捎缅^網索支護方式。

1.2 防治水難點

12402 回風巷與鄰近的12403 采空區間留設10 m保護煤柱，巷道為下山施工，角度為0°～6°（均值為2°），使用普通鉆進施工探放水鉆孔無法一次疏排干鄰近采空區內的積水，采用短掘短探放水進行探放水，存在布置鉆場、水倉多問題，施工周期短、作業勞動強度大，進而影響回風巷掘進效率。同時，采用的普通鉆孔，由于施工時鉆孔軌跡不可控，無法保證直線鉆進，鉆孔實際軌跡往往呈現拋物線狀，無法沿著預先設計的軌跡鉆進，在一定程度上影響了探放水效果。防治水管理規定要求采掘作業面與采空區間距30 m 前須進行老空區探放工作，而回風巷留設10 m保護煤柱，不滿足防治水規定要求。

12402 回風巷留設的10 m 煤柱在覆巖應力、采空區側向壓力等影響下，裂隙較為發育，頂板出現一定程度離層現象，若回風巷掘進至12403 采空區積水區時，老空水容易沿著煤柱裂隙向巷道掘進空間涌入，甚至出現突水情況。原設計通過運輸巷施工措施巷（具體措施巷位置如圖1 所示），通過措施巷布置探放水鉆孔疏排12403 采空區積水，雖然能滿足探放水需要，但是措施巷施工需要調其他掘進巷道隊伍掘進，會影響其他采區巷道的掘進效率。同時，巷道掘進成本、支護成本等均較高，采面后續回采期間還面臨有過空巷問題。因此，經過綜合分析，決定采用長距離定向鉆孔對12403 采空區積水進行疏排。

2 疏排水鉆孔布置方案

受采面運輸巷施工條件限制，運輸巷內布置的探放水鉆孔布置在2 個鉆場內，其中一個鉆場位于原措施巷開口處（里程1 678 m 位置），鉆場內布置3 個鉆孔，為避免12402 回風巷掘進時揭露施工探放水鉆孔而引起出水情況，將鉆孔設計為U 型，即鉆孔從12402 回風巷底板4 m 位置穿過，具體探放轉鉆孔剖面如圖2 所示。另外一個鉆場位于原措施巷以里256 m 處，施工4 號鉆孔，提高老空水疏排效率。

圖2 定向探放水鉆孔布置示意圖

定向長鉆孔開孔段（15 m）用Φ96 mm 鉆頭鉆進后，用Φ173 mm 鉆頭完成擴孔，然后下放Φ127 mm套管，并通過注漿封孔，具體開孔段結構如圖3 所示。采用Φ96 mm 鉆頭按照預先設計軌跡施工至采空區積水區。定向長鉆孔鉆進時使用的主要設備包括有ZYWL-6000DS 液壓鉆機、ZSZ1000 隨鉆測量系統、L1122 泥漿泵和PDC 鉆頭等。

圖3 鉆孔開孔段結構圖

3 現場探放水效果分析

3.1 探放水鉆孔出水情況

2021 年5 月4 日完成1 號、2 號和3 號定向長鉆孔施工，鉆孔初期排水量均超過120 m3/h。鉆孔排水至5 月19 日后，類似疏排老空水達到66 395 m3，3 號鉆孔已無水排出，1 號和2 號鉆孔出水量降至75～90 m3/h。4 號鉆孔在5 月6 日完成施工，初期鉆孔出水量在103.5 m3/h，后隨著疏排水時間增加、采空區積水高度及水壓降低，鉆孔出水量不斷減少。6 月5 日，1 號、2 號和4 號鉆孔出水量均降至20 m3/h 以下，3 號鉆孔不再出水。

3.2 探放水效果

12402 回風巷受采空區側向應力及老空水等影響，巷道圍巖控制及防治水難度較高。為確保12402回風巷安全高效掘進，在運輸巷內布置定向長鉆孔，提前對影響12402 回風巷掘進的12403 采空區積水進行疏排。布置的定向長鉆孔累計疏排水量達到3.65 萬m3，基本疏排了采空區內積水，后續施工的檢驗鉆孔均未出水。

將定向長鉆孔設計成U 形，即鉆孔從回風巷底板穿過，進入到12403 采空區積水，避免了回風巷掘進揭露疏排水鉆孔期間出現的突水問題。同時，疏排水鉆孔在使用期間未出現堵塞情況，表明在采空區內積水水壓差可確保鉆孔順利疏排水。通過在12402 運輸巷內布置定向長鉆孔，可減少措施巷掘進工程量。疏排水鉆孔可超前12402 回風巷500 m 以上對12403采空區積水進行疏排，當12402 回風巷掘進至12403采空區區時，采空區內積水已基本疏排干凈，從而解決了12402 回風巷水害問題，為巷道安全掘進以及12403 工作面早日投產創造了有利的條件。

4 結論

1）12402 綜采工作面回風巷掘進時受鄰近12403采空區內積水影響，若通過布置措施巷方式進行采空區內積水疏排，需要單獨掘進一條巷道，防治水成本較高且措施巷會影響后續采面生產。為此，在12402運輸巷內布置定向長鉆孔，對12403 采空區積水進行定向疏排。布置的定向長鉆孔均為U 形，即鉆孔從12402 回風巷底板穿過，進入12403 采空區積水區，從而避免12402 回風巷掘進至疏排水鉆孔期間出現鉆孔涌水量大或者突水問題。

2）在12402 運輸巷共計布置4 個定向長鉆孔，累計疏排12403 采空區積水約3.65 萬m3，基本解決了采空區積水對12402 回風巷掘進的影響。同時，定向長鉆孔疏排水期間未出現堵塞情況。