掘進(jìn)巷道頂板裂隙含水層探放水施工技術(shù)研究

劉宇航

摘 要：巷道掘進(jìn)期間，涌水不僅制約掘進(jìn)效率，而且侵蝕巷道圍巖，降低圍巖支護(hù)體系強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)。為了確保巷道掘進(jìn)安全、降低涌水給巷道掘進(jìn)帶來的影響，以20601運輸巷掘進(jìn)為研究對象，提出采用長距離定向鉆孔+短距離鉆孔相結(jié)合的探放水技術(shù)。通過長距離定向鉆孔超前疏排可降低頂板裂隙水水壓及掘進(jìn)迎頭涌水量;短距離鉆孔起到進(jìn)一步疏排水及超前探測的作用?，F(xiàn)場應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)期間基本無淋水，僅地質(zhì)構(gòu)造帶附近有0.8 m3/h涌水量，不會給巷道掘進(jìn)安全帶來顯著影響。

關(guān)鍵詞：巷道掘進(jìn);裂隙水含水層;長距離定向鉆孔;疏排水;水頭壓力

中圖分類號：TD745文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0051-03

Abstract： During the roadway excavation， water inrush not only restricts the roadway excavation efficiency， but also erodes the surrounding rock of the roadway， reduces the strength of the surrounding rock support system， and even causes the instability of the surrounding rock structure system. In order to ensure the safety of roadway excavation and reduce the impact of water gushing on roadway excavation， taking 20601 transportation roadway excavation as the research object， a water detection and drainage technology combining long-distance directional drilling with short-distance drilling was proposed. Long distance directional drilling can reduce the roof fissure water pressure and heading water inflow， and short distance drilling can play a role of further drainage and advanced detection. After field application， there is basically no water drenching during roadway excavation， only 0.8 m3/h water inflow near the geological structure zone， which will not bring significant impact on the safety of roadway excavation.

Keywords： roadway excavation;fractured water aquifer;long-distance directional drilling;drainage;head pressure

涌水是制約煤礦生產(chǎn)安全的不利因素之一，超前探測及疏排是防治水的主要技術(shù)手段[1]。合理布置探放水鉆孔對確保巷道掘進(jìn)安全具有重要意義。隨著鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，長距離定向鉆孔在煤礦井下的應(yīng)用越來越廣泛，在一定程度上提升了煤礦生產(chǎn)安全保障能力[2-4]。但是，井下探放水鉆孔施工中仍存在鉆孔施工質(zhì)量差、布置不合理及封孔質(zhì)量不佳等問題，從而在一定程度上影響探放水鉆孔預(yù)期效果[5-7]。本文以某礦20601運輸巷掘進(jìn)為研究對象，針對頂板裂隙水影響對探放水鉆孔布置進(jìn)行設(shè)計，有效提升了探放水鉆孔效率，并實現(xiàn)了巷道安全掘進(jìn)。

1 工程概況

某礦為生產(chǎn)能力600萬t/a的大型現(xiàn)代化礦井，采用斜井、平硐開拓，主采3#、6#及11#煤層，現(xiàn)階段主采6#、11#煤。20601綜采工作面開采6#煤層，現(xiàn)階段正掘進(jìn)20601運輸巷，設(shè)計掘進(jìn)長度1 320 m，巷道斷面為矩形（寬4.5 m、高3.5 m），采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝。

根據(jù)已有水文地質(zhì)資料可知，20601運輸巷掘進(jìn)期間主要涌水來自頂板砂巖裂隙水。該裂隙水含水層位于20601運輸巷頂板上約25 m位置，厚度約16.5 m，巖性以粗砂巖、泥巖為主，水壓約為1.32 MPa。預(yù)測巷道掘進(jìn)影響范圍內(nèi)含水量約為18 685 m3，掘進(jìn)期間涌水量在5.3 m3/h，是巷道掘進(jìn)的主要安全威脅之一。因此，為了確保20601運輸巷掘進(jìn)安全，需要進(jìn)行必要的探放水工作。

2 探放水鉆孔施工

20601運輸巷探放水鉆孔有超前定向長距離鉆孔、短距離鉆孔兩類。

2.1 超前定向長距離鉆孔

2.1.1 鉆孔施工。根據(jù)已有水文地質(zhì)資料得知，在20601運輸巷頂板上約25 m位置的砂巖裂隙水是巷道掘進(jìn)期間的主要涌水水源。為此，超前定向鉆孔布置在該裂隙水含水層內(nèi)，具體布置見圖1。在巷道左幫位置開深度6.5 m、寬度8.0 m鉆場。鉆孔時采用型號為ZDY6000LD的千米定向鉆機(jī)施工。在巷道迎頭、左右?guī)透骶嚯x掘進(jìn)外輪廓線20 m處布置一個鉆孔。鉆孔終孔位置距巷道頂板25 m，從而實現(xiàn)對巷道頂板上覆裂隙水含水層進(jìn)行探測及超前疏排。

超前定向鉆孔施工長度在500～1 000 m，鉆孔結(jié)構(gòu)為二開結(jié)構(gòu)，在開孔孔徑為153 mm，全程下套管，并安裝20 m長的接口管（孔徑127 mm）;在目標(biāo)層位鉆進(jìn)時孔徑為96 mm，裸孔鉆進(jìn)。

2.1.2 封孔工藝。封孔采用“兩堵一注”的方式，長度為20 m。采用的封孔設(shè)備主要為PKN封孔器（2個）、注漿泵（型號2ZBQ-6/4）、4根鋼管（孔徑127 mm）、注漿軟管（孔徑16 mm）。當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至20 m后開始封孔，在鉆孔內(nèi)裝入4段孔徑為127 mm鋼管，鄰近鋼管間采用絲扣連接。鋼管安裝完畢后在鉆孔孔底注入膨脹水泥進(jìn)行封堵（長度500 mm），具體見圖2。

在孔口管與鉆孔孔壁間插入直徑16 mm注漿軟管，在距離孔口、孔底500 mm位置均安裝PKN封孔器，從孔口位置注入膨脹水泥進(jìn)行封堵。將2ZBQ-6/4注漿泵與注漿軟管連接，向孔口管與孔壁間注入封孔材料（XZFKL-I型），注入壓力為1.5 MPa，注入時間為20 min。封孔完成后需要靜置8 h以上。

在孔口管外露端布置法蘭盤及壓力表，向封孔完成的鉆孔內(nèi)注入3～4 MPa高壓水，注水時間在15 min以上，注水時未發(fā)現(xiàn)孔壁滲水或者鉆孔竄動即認(rèn)為封孔質(zhì)量滿足要求。

2.2 短距離鉆孔施工

在20601運輸巷掘進(jìn)迎頭采用ZY-750D鉆進(jìn)施工短距離鉆孔，鉆機(jī)施工時配套采用的鉆桿為Φ63 mm×1 500 mm中空鉆桿、75 mm八翼鉆頭。鉆機(jī)的額定功率、鉆進(jìn)壓力分別為22 kW、25 MPa。

在20601運輸巷掘進(jìn)迎頭布置兩排短距離探放水鉆孔。其中，上排鉆孔為仰斜鉆孔，用以探測并疏排頂板裂隙水;下排鉆孔為水平鉆孔，主要用以探測巷道掘進(jìn)前方及兩側(cè)是否存在含水層。

上排布置的仰斜鉆孔共5個（編號依次為1#～5#），鉆孔深度為63 m，仰角17°，鉆孔孔徑75 mm，開孔距離巷道頂板500 mm，間距為700 mm。巷道按照120°方位角掘進(jìn)，其中1#鉆孔按照120°方位角施工，2#、3#鉆孔分別按照110°、130°方位角施工（水平角均為10°），4#、5#鉆孔分別按照100°、140°方位角施工（水平角均為20°）。

下排布置的水平鉆孔共3個（編號依次為6#～8#），孔深60 m，孔徑75 mm，垂直煤壁施工。開孔位于頂板下方1 500 mm位置，間距1 600 mm，其中6#鉆孔方位角120°，7#、8#鉆孔方位角分別為100°、140°（7#、8#鉆孔水平角均為20°）。具體鉆孔布置見圖3。

施工的短距離探測鉆孔探測距離為60 m，巷道每掘進(jìn)40 m在迎頭位置施工一組探測鉆孔，從而確保探測鉆孔間有20 m重疊距離，提高巷道安全保障能力。

3 探放水效果分析

第一，在20601運輸巷頂板布置的長距離定向探放水鉆孔（3個）耗時6個月鉆進(jìn)完成，施工完成后進(jìn)行疏排水，共計排放約12 560 m3裂隙水，顯著降低了20601運輸巷掘進(jìn)期間涌水的威脅。

第二，在20601運輸巷掘進(jìn)迎頭布置的探放水鉆孔，共計布置264個，其中涌水鉆孔僅有60個，占鉆孔總數(shù)的22.7%，其余鉆孔均為干孔。涌水鉆孔多為長距離探放水鉆孔終孔段，即為巷道掘進(jìn)進(jìn)尺600～700 m、1 250～1 350 m范圍內(nèi)，累積排放頂板裂隙水約5 759 m3。

第三，在巷道掘進(jìn)期間，頂板幾乎無淋水，僅在掘進(jìn)至680 m位置時受到DF31斷層（H=4.2 m、362°∠45°）影響，圍巖裂隙發(fā)育，頂板出現(xiàn)少量淋水，淋水量在0.8 m3/h以內(nèi)，在此范圍內(nèi)通過注漿封堵后頂板淋水問題得以徹底解決。

4 結(jié)語

采用長距離定向鉆孔不僅可實現(xiàn)對巷道掘進(jìn)前方地質(zhì)構(gòu)造的超前遠(yuǎn)距離探測，而且可有效對含水層進(jìn)行疏排，從而降低巷道掘進(jìn)過程中的涌水量。

在20601運輸巷布置長距離定向鉆孔，對頂板砂巖裂隙水含水層進(jìn)行遠(yuǎn)距離、超前疏排，降低頂板裂隙水涌水對巷道掘進(jìn)的影響。在巷道掘進(jìn)迎頭采用短距離鉆孔進(jìn)一步對頂板裂隙水及附近其他的含水層進(jìn)行疏排。

現(xiàn)場應(yīng)用后，長距離定向鉆孔疏排水量達(dá)到12 560 m3，巷道掘進(jìn)期間施工的短距離鉆孔均為涌水，僅在長距離定向鉆孔終孔段出現(xiàn)一定量的涌水。這主要是由于在長距離定向鉆孔終孔段鉆孔實際位置與設(shè)計位置出現(xiàn)較大偏差，導(dǎo)致疏排水效果弱化。

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