掘進工作面頂板富水區超前疏放治理技術

段志鴻

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西呂梁 033102）

0 引言

煤層頂板富水條件下，巷道掘進期間頂板涌水量大，影響巷道安全掘進，且普通錨固劑遇水難以有效膨脹，降低頂幫錨桿張拉強度，導致巷道存在離層冒頂風險[1-2]。基于此，以呂梁山煤電有限公司3-3032 巷為工程基礎，提出在巷道掘進開口段施工定向鉆孔，對富水異常區域提前疏放，利用注漿技術封堵導水通道，實現頂板水有效治理。

1 工作面概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司核定產能260 萬t/a，井田開拓設計為2 個水平，其中一水平標高+900 m，開采2、3、5 號煤，二水平標高+830 m，主采8、9、10 號煤層。3-303 工作面位于一水平三采區以西，運輸順槽為3-3032 巷，長度1411 m，回風順槽為3-3031 巷，長度1311 m，切眼長219 m，工作面布置如圖1 所示。工作面內地質構造條件簡單，根據三維地震勘探未發現明顯大型斷裂構造和斷層、陷落柱等，但在掘進過程中可能存在隱伏小構造，工作面主采3 號煤層，煤層厚度0.75 ～1.2 m，平均1.05 m，賦存傾角1°～5°，平均3°，整體結構較穩定。煤層頂底板巖性見表1。

圖1 3- 303 工作面采掘巷道布置Fig.1 Mining and excavating roadway layout of No.3-303 Face

表1 3 號煤層頂底板巖性描述Table 1 Lithology description of No.3 coal seam roof and floor

3-303 工作面水文地質條件中等，在掘進期間不受周邊小窯水、采空區積水和地表水的滲透威脅，主要充水水源來自于頂板的砂巖含水層，富水分布不均勻，經過瞬變電磁物探探測結果顯示頂板局部富水，為弱富水性。但在掘進施工期間錨桿、錨索孔內經常出現滴涌水，影響錨固強度效果，3號煤層的頂板最大導水裂隙帶高度為48.2 m，在孔內積水長期疏放后，原水壓支護作用消失，頂板膠結層會出現緩慢下沉，造成一定量的頂板下沉變形，若支護強度不到位，可能潛在局部冒頂安全風險。3 號煤層頂板含水層具有以下水文特征。

（1） 煤層頂板主要為二疊系山西組砂巖裂隙含水層，以細粒、中粒和粗砂巖為主，平均總厚度為22.97 m，單位涌水量約0.00014 ～0.047 L/s·m，滲透系數為0.1591 ～0.2042 m/d，水位標高+1058.40—+1066.34 m。含水層富水性弱，水質結構為HCO3·SO4-Ca·Mg 型，礦化度達到0.7378 g/L，掘進期間頂板以滴淋水為主，消耗靜壓水，但在疏放一定量后，頂板產生新的裂隙，上層含水層會向下層進行水源補給，造成疏放水量增大，經過一段時間后重新趨于穩定，直到多層水源疏放徹底。

（2） 工作面底板含水層為石灰系太原組巖溶裂隙含水層，主要由L1、L4、L5 等3 層灰巖及中砂巖構成，灰巖厚度為5.43、5.89、4.49 m，平均總厚度為15.81 m，單位涌水量在0.009 ～0.078 L/s·m，滲透系數0.054 ～0.2713 m/d，水位標高在+856—+872 m，該含水層富水性弱，不具有承壓性，且底板隔水層巖石分布致密，隔水性較強，因此，對巷道掘進影響較小。

2 超前疏放防治水方案設計

2.1 富水區物探成果分析

根據礦井建井時期的水文地質勘探資料與3-303 工作面瞬變電磁物探資料分析，該工作面主要存在3 個低阻異常區域，集中在3-3031 巷開口向里約407 ～465 m，3-3032 巷開口向里約432 ～489 m，以及工作面中部靠近3-3032 巷附近，距離停采線約284 ～323 m，經過含水層標高測算，預計富水區域位于3 號煤層頂板以上9 ～12 m 層位區間，富水強度為中等偏弱。物探低阻異常區域劃分如圖2 所示。

圖2 物探低阻異常區域劃分Fig.2 Division of geophysical exploration low-resistance abnormal area

2.2 定向鉆孔設計參數

經過物探資料對富水異常區域的劃分分析，初步明確異常區域大概位置，由于煤層賦存傾角平均3°，為近水平煤層，因此，選用一般鉆機無法有效施工至預定區域，而且鉆孔傾角不好控制。經過綜合評判，選定型號為ZDY6000LD 的全坑道液壓鉆機，峰值扭矩可達6000 N·m，適用于鉆孔傾角-10°～20°的開孔區間；配備3NB-320/8-30 型泥漿泵，可提供抽液能力118 ～320 L/min，注漿泵壓可達到 8 MPa； 為準確施工定向， 選用YHD1-1000T（A） 型隨鉆測量系統，可跟蹤鉆孔施工軌跡，及時調整鉆進姿態，確保鉆至設計層位區域，誤差值控制在±0.5 ～±1 m。

在3-3031 巷開口約330 m 處開孔施工疏放孔，編號為SF1 孔，為確保施工安全，距異常區域外段預留70 m 安全距離；在3-3032 巷開口向里約350 m 處及附近，分別施工SF2 孔和SF3 孔?？紤]到煤層賦存呈北高南低的特征，以及含水層存在流動性補給和裂隙相互導通的可能，在施工順序上設計先對SF2 孔和SF3 孔開孔鉆進，最后將SF1 孔作為疏放水效果評價的驗證孔，所有疏放水鉆孔設計終孔層位為煤層頂板以上12 ～15 m。鉆孔參數見表2。

表2 疏放水鉆孔設計參數Table 2 Design parameters of drainage drilling hole

2.3 鉆孔放水效果分析

通過對3 個疏放水鉆孔打鉆過程各項參數及涌水量情況的詳細記錄，可以反向驗證物探結果的評價準確性。在SF2 孔施工至59 m 處時，孔內首次出現涌水，涌水量為3.7 m3/h，經過鉆孔投影平距測算，繪制在鉆孔設計圖上后，分析發現見水位置與低阻異常區域提前19 m，隨著鉆孔不斷深入，涌水量隨之增大，最大時達到71.6 m3/h，隨后放水速度與水量趨緩，最大水壓達到1.6 MPa。然后施工SF3 孔至84 m 處時孔內出水，水量達到11.5 m3/h，見水位置與異常區域劃分邊界基本一致，當繼續鉆進至106 m 時，孔內涌水增大，水量為39.4 m3/h，而且SF2 孔在正常放水情況下水量突然明顯減小，說明2 個異常區域通過導水裂隙存在一定的補給關系，涌水從更低位置的SF3 孔通道實現了流動排泄，最大孔內水壓為1.1 MPa。最后施工SF1孔時在81 m 處開始見水，初始水量為14.7 m3/h，最大水量為39.1 m3/h，疏放水期間未發現SF2 孔和SF3 孔有明顯變化，SF1 孔也未見水量異常增加現象，說明該區域相對封閉，未形成與其他含水層的有效聯系，未得到涌水補給。鉆孔施工期間孔內涌水量變化衰減曲線如圖3 所示。

圖3 鉆孔施工期間孔內涌水量變化曲線Fig.3 The variation curve of water inflow in drilling hole during drilling construction

2.4 注漿封孔與注漿錨桿設計

當所有疏放水鉆孔的正常涌水量小于5 m3/h后，且持續穩定7 d 以上，說明異常區含水層基本疏放完畢，正常補給水量對巷道掘進不構成突水威脅，此時采用高標號P.042.5R 水泥制成混合比重為1∶2.5 的水泥漿液對鉆孔進行封孔，終孔注漿壓力設定為3 MPa。注漿后既可以對原有裂隙進行充填加固，封堵導水通道，也可以減少因放水后膠結層失去支撐作用而緩慢下沉造成空頂冒頂的風險。

在掘進過程中，為對頂板支護實現補強，采取對圍巖施工注漿錨桿和螺紋鋼錨索搭配使用的措施，按照頂幫間排距為800 mm×1600 mm 施工螺紋鋼錨桿，錨桿規格為D22 mm×2400 mm，每排打設13 根，進行全段錨固；注漿錨桿采用中空形式便于注漿，規格為D24 mm×3000 mm，打設間排距1000 mm×1600 mm，與普通螺紋鋼錨桿插花交替施工。頂板支護施工斷面如圖4 所示。

圖4 頂幫支護施工斷面Fig.4 Section of roof support construction

3 疏放水效果評價

（1） 經過定向鉆孔施工對頂板含水層低阻異常區域進行超前疏放水，當放水量持續穩定在5 m3/h 后進行注漿封堵，封閉導水裂隙與補給通道，在巷道掘進期間未再出現錨桿、錨索孔內的滴淋水現象；當工作面貫通形成后，在回采前再次進行全域頂底板瞬變電磁物探評價，未發現頂板存在低阻異常區域，掘進前已疏放注漿治理的區域也呈現出高阻值，說明治理效果良好。

（2） 疏放水鉆孔注漿封堵裂隙后，通過注漿錨桿和螺紋鋼錨桿配合使用，對頂板支護實現補強，在掘進期間每月對巷道頂幫移近量進行定點觀測，發現治理后的頂板最大移近量僅有164 mm，未出現明顯的離層空頂現象，也未發生頂板因淋水浸泡導致的冒頂事故。

4 結論

（1） 通過對3-303 工作面內水文資料與物探成果的分析，劃定頂板含水層低阻異常區域，從而有針對性制定疏放水鉆孔的施工參數，確保放水效果達到預期目標。

（2） 經過頂板疏放水治理，以及注漿錨桿補強支護后，在掘進期間有效控制頂板下沉速度，控制頂板移近量小于164 mm，符合巷道工程質量控制要求，未發生頂板事故。

（3） 通過采取綜合疏放水治理措施，實現含水層富水區的超前疏放，掘進期間確保綜掘效率達到15.6 m/d，全月累計進尺實現468 m，完成高產高效目標，為采掘接替平衡奠定了安全基礎。