風巷探放采空區(qū)積水鉆孔的設計、施工與效果

朱 立

（山西潞安集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 忻州 036700）

據統(tǒng)計，采空區(qū)突水占到礦井水害事故的30%以上，且采空區(qū)突水具有強度大，時間短，破壞性強等特點[1-3]。 巷道掘進過程中根據采空區(qū)賦存情況采取針對性的探放水措施，對確保巷道掘進安全具有重要意義[4-6]。 潞寧礦煤田水文地質復雜，礦井開采時涌水量在152.4～453.2 m3/h，正常涌出量286.5 m3/h。制約礦井生產安全的水害主要為地面水、 覆巖裂隙水、底板承壓水，以及采空區(qū)積水等。 其中煤層底板奧灰水水頭標高為+890 m，礦井開采的2 號煤層底板突水系數在0～0.518 MPa/m， 礦井在生產過程中遵循“有掘必探、先掘后探、先治后采”方針，避免了水害對礦井生產影響。

1 工程概況

潞寧煤業(yè)礦井22122 風巷位于井田二二采區(qū)下部，其上部為22118 回采工作面采空區(qū)，層間距12 m， 22122 工作面開采的2#煤厚在3.5 m， 傾角2°～4°，采面底板最大突水系數在0.016 5 MPa/m，煤層與底板承壓水含水層間有效隔水層厚度在75 m，在無大型地質構造導水情況下， 巷道掘進及采面回采較為安全。 2#煤上覆灰?guī)r（L1、L4及K2）裂隙水是巷道掘進過程中主要的涌水水源，正常情況下掘進工作面會有少許裂隙水淋出，對正常掘進影響較小。

22122 風巷上部為2#煤22118 工作面采空區(qū)。預計采空區(qū)內積水面積約為1.8 萬m2， 積水量在1.6 萬m3，積水標高在+856～+872 m，水頭壓力最大為0.16 MPa。 該采空區(qū)地質構造較為復雜，預計22118 工作面采空區(qū)內積水會對22122 風巷掘進帶來不利影響。 22122 風巷與22118 工作面采空區(qū)位置關系見圖1。

圖1 22122 風巷與22118 工作面采空區(qū)位置關系

2 風巷掘進探放水鉆孔設計

2.1 預計放水量確定

（1）鉆孔正常涌水量QB計算

鉆孔正常涌水量QB可通過式（1）計算[7]：

式中：n 為鉆孔出水系數；q 為單位放水流量， 通過式（2）計算[8]：

式中：q 為單位放水流量（m3/h）；C 為流量系數（取值0.6～0.7）；W 為探放水鉆孔面積（鉆孔孔徑取值為65 mm）；g 為重量加速度（9.9 m/s2）；H 為工作面采空區(qū)積水高度（采高的40%～50%， 即為3.5 m×50%=1.75 m）。

通過式（2）計算求得

q=0.348 m3/min=21.18 m3/h。

由于鉆孔排放過程中水頭壓力會逐漸降低、雜物堵塞鉆孔等影響，鉆孔出水系數n 取值為0.7，最終確定的排放水鉆孔單位放水流量QB=q×n=21.18×0.7=14.83 m3/h。

（2）排放水管路管徑及趟數

在22122 風巷內布置的排放水管路管徑可以采用式（3）計算[8]：

式中：VP表示排放管路經濟流速（取值1.5 ～2.2 m/s），通過計算求得：dP=49.15 mm。在22122 風巷內布置一趟4 寸管路即可滿足巷道采空區(qū)排放水需要。

2.2 探放水鉆孔布置設計

（1）探放水設備

在22122 風巷內探放水施工采用1 臺ZLJ-650型液壓回轉鉆機， 在巷道低洼位置布置臨時水泵房，采用兩臺22 kW 水泵（每臺排水量40 m3/h，揚程80 m）進行排水，一臺工作，一臺備用。 探放水鉆機鉆桿直徑為Φ42 mm， 配備Φ65 mm 金剛石鉆頭，開孔采用Φ153 mm 金剛石鉆頭。

（2）探放水鉆孔布置

預計臨近的22118 采空區(qū)水位標高在+856～+872 m，為了確保22122 風巷的掘進安全，臨近采空區(qū)內水頭壓力應控制在0.05 MPa 以內， 因此巷道的探放水一次探測距離超前迎頭30 m。

根據22118 底板標高及水文資料分析，決定在22122 風巷距離聯巷口8 m、169 m、566 m、751 m、1 008 m、1 410 m 六處對22118 采空區(qū)進行探測工作，具體鉆孔參數見表1。

表1 探放水鉆孔施工參數

（3）鉆孔施工方案

①鉆孔開孔

鉆孔首先用153 mm 金剛石鉆頭鉆進10.2 m后，下入Φ108 mm 套管10 m 作為孔口管，用封孔材料封閉套管外的環(huán)狀間隙。 孔口管外端安裝法蘭盤，閘閥孔口管的埋設要按設計的孔位和鉆孔傾角進行埋設。

②孔口管（套管）固管

將套管下入孔內規(guī)定的深度， 鉆桿下入孔底，將無機磷酸鹽高鋁高強泥漿材料注入套管外的環(huán)狀間隙，至孔口返出封孔材料。凝固后，必須進行耐壓試驗，預測最大放水水壓為0.03 MPa，打壓值要求為預計放水水壓的1.5 倍。 打壓值達到0.045 MPa，30分鐘后，套管周圍沒有漏水現象，說明符合要求，否則需重新加固。 待耐壓試驗完成后安裝止水閥，然后方可用Φ65 mm 鉆頭繼續(xù)鉆進至采空區(qū)。

根據探放水鉆孔設計，由地測科技術人員在工作面標定開口位置和方位角。 探放水隊負責現場施工，在平臺上擺設好鉆機，保證鉆機打設穩(wěn)定可靠；調整鉆機，使鉆桿方位角和仰角與設計一致，并對準開口位置，用手動葫蘆、鋼絲繩環(huán)子固定鉆機，并用墊木和木楔將鉆機頂柱兩端等部位加固，確保穩(wěn)固。

2.3 施工現場安全管理措施

（1）打鉆作業(yè)前必須提前在打鉆作業(yè)現場準備一定數量的與鉆孔孔徑相符的木楔子、 濕毛巾、棉布、黃土、黃沙、水泥等應急封堵鉆孔的、材料，打鉆過程中一旦發(fā)現有害氣體異常涌出，應及時封堵鉆孔，否則嚴禁進行打鉆作業(yè)。

（2）施工現場供水管路不得小于Φ108 mm，并確保流量≥0.8 m3/min、 水壓≥0.5 MPa， 三通、閥門、高壓軟管等附件齊全可靠。

（3）打鉆所需的電氣設備應布置于打鉆地點的上風側；必須布置于下風側時，打鉆前要進行嚴格的防爆檢查，杜絕電氣設備失爆。

（4）打鉆作業(yè)地點必須保證風量充足，風速不低于0.3 m/s。

（5） 作業(yè)地點附近20 m 范圍內必須安設專用電話，電話要隨作業(yè)點移動而移動，以便于發(fā)生異常時及時聯系。

（6）鉆孔完成后，排水鉆孔及時安設“U”型返水管進行放水，U 型高度不小于0.5 m，防止有害氣體大量涌出。

（7）放水完畢的鉆孔必須經過地測科驗收，確定鉆孔的留設與封堵，需要封堵的要拆除鉆孔內封孔管，并用水泥砂漿進行徹底全孔封堵。

3 鉆孔探放水成果分析

從2018年7月～2019年6月， 在22122 風巷內共施工6 個探放水鉆孔。 探放水鉆孔鉆探情況見表2。

表2 探放鉆孔參數

其中1、2、3、5 號鉆孔打通采空區(qū)后無水涌出；4 號鉆孔鉆進至采空區(qū)時有水涌出，涌水量約在40 m3/min，孔口的壓力表顯示水壓為0.065 MPa。 根據4 號探放水鉆孔水壓，可推測出采空區(qū)內水位標高在+875 m，截止到2019年2月，4 號探放水鉆孔共計排放水量在5 934 m3。 巷道掘進至最低點位置時，施工6 號鉆孔， 初期鉆進至采空區(qū)內時涌出量約為22 m3/min，最終單孔排放水量在3 026 m3。在22122 風巷，4 和6 號鉆孔共計排放22118 采空區(qū)水量為8 960 m3，根據2 號煤層底板等高線標高以及采空區(qū)內積水上限標高， 推斷出22118 采空區(qū)內積水面積共計5 563 m2。

4 結語

1）根據22122 風巷及臨近的22118 采面采空區(qū)的地質條件，在風巷掘進過程中布置6 個采空區(qū)探放水鉆孔進行疏排，其中2 個出水鉆孔共計疏排采空區(qū)內積水8 960 m3，通過疏排避免了巷道掘進過程中采空區(qū)突水可能，確保了巷道安全掘進。

2）采用理論分析方法確定了巷道排水管路，設計的排水管路可以確保采空區(qū)內疏排水工作正常進行。