團(tuán)柏煤礦301掘進(jìn)面超前探測(cè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝 樂

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦，山西 臨汾 031400）

1 工作面概述

團(tuán)柏煤礦301掘進(jìn)工作面位于下組煤三采區(qū)左翼，西臨井田邊界保安煤柱，南、北為實(shí)體煤層，東為三采區(qū)軌道巷。地面標(biāo)高+730～ +735 m，工作面標(biāo)高為+410～ +420 m，蓋山厚度為422～430 m，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為695 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.4×2.5 m。

301掘進(jìn)工作面水文條件相對(duì)復(fù)雜，工作面上覆巖層為K2灰?guī)r含水層，為石炭系裂隙水的主要含水層，距巷道頂板間距為5.0 m。由于K2石灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，充水源主要來(lái)自大氣降水及地表水。該含水層是掘進(jìn)工作面直接充水的主要來(lái)源。根據(jù)301巷前期掘進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，在巷道掘進(jìn)至320 m處頂板出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，預(yù)計(jì)隨著巷道掘進(jìn)延伸，頂板壓力加大，上覆巖層積水會(huì)沿著頂板薄弱地帶直接涌入巷道內(nèi)發(fā)生水害事故。

2 煤礦探放水施工主要存在的問題

（1）探放水設(shè)計(jì)不合理。由于對(duì)探放水施工重要性重視力度不夠，團(tuán)柏煤礦巷道在掘進(jìn)期間未嚴(yán)格進(jìn)行探放水施工，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔深度及數(shù)量不足、鉆孔布置不合理等現(xiàn)象，探放水施工無(wú)法起到預(yù)期施工效果，威脅巷道掘進(jìn)安全。

（2）鉆孔封孔效果差。由于團(tuán)柏煤礦回采煤層為1#、2#石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，探水鉆孔在施工期間受擾動(dòng)影響，孔口往里15 m范圍內(nèi)依次形成卸壓區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)，在卸壓區(qū)內(nèi)鉆孔徑向煤體裂隙發(fā)育，而團(tuán)柏煤礦傳統(tǒng)封孔長(zhǎng)度為8.0 m，未完全處于原巖應(yīng)力區(qū)，放水時(shí)水體在壓力作用下會(huì)沿孔口管以里煤體滲出，同時(shí)采用膨脹水泥進(jìn)行封孔時(shí)無(wú)法對(duì)深部裂隙進(jìn)行填堵，封孔效果差，經(jīng)常出現(xiàn)孔口管竄動(dòng)、透水事故。

（3）安全措施不到位。團(tuán)柏煤礦掘進(jìn)巷道探放水施工期間，僅在工作面迎頭支設(shè)一排木柱對(duì)煤體進(jìn)行維護(hù)，但是在實(shí)際探放水使用期間，由于煤體相對(duì)破碎，受鉆孔施工擾動(dòng)及水壓影響，放水時(shí)工作面煤體出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象，致使頂板空頂面積大，導(dǎo)致放水期間經(jīng)常發(fā)生頂板垮落事故。

3 301工作面探水鉆孔布置設(shè)計(jì)

3.1 鉆探設(shè)備選擇

301工作面掘進(jìn)期間超前探測(cè)時(shí)，采用型號(hào)為ZY-750D煤礦用全液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，具體參數(shù)如表1所示。

表1 ZY-750D煤礦用全液壓鉆機(jī)及配套設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

3.2 鉆孔布置方式

（1）鉆孔布置要求。301巷沿煤層底板平行掘進(jìn)，工作面鉆孔呈扇形布置，為了防止施工巷道兩幫及前方存在水患，工作面布置兩排探放水孔，上排探放頂板積水，下排探放巷道四周積水。鉆孔水平深度為100 m，采用探測(cè)100 m，掘進(jìn)30 m，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，超前探測(cè)期間幫距為20 m。

（2）鉆孔布置參數(shù)。301掘進(jìn)工作面共布置兩排（六個(gè)）探測(cè)鉆孔，其中1#孔為正中孔，2#、3#孔為幫孔，4#～6#為頂板探測(cè)孔，具體參數(shù)如表2所示。兩排鉆孔排距為0.5 m，間距為1.0 m，鉆孔呈扇形布置，如圖1所示。

表2 301工作面探測(cè)鉆孔參數(shù)表

圖1 團(tuán)柏煤礦301工作面超前探測(cè)鉆孔平、剖面示意圖

4 封孔工藝

為了提高探水鉆孔封孔質(zhì)量，合理確定封孔長(zhǎng)度，團(tuán)柏煤礦水害防控工程技術(shù)中心決定采用實(shí)驗(yàn)鉆孔煤屑量法確定封孔長(zhǎng)度，并采用兩堵一注法進(jìn)行封孔。

4.1 封孔長(zhǎng)度確定

（1）鉆孔煤屑量法原理：由于卸壓區(qū)內(nèi)壓力大、煤體松散，鉆孔鉆進(jìn)期間鉆孔內(nèi)煤屑量會(huì)加大，而在原巖應(yīng)力區(qū)煤體應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，鉆孔鉆進(jìn)時(shí)壓力小，產(chǎn)生的煤屑量相對(duì)較少；所以根據(jù)鉆孔產(chǎn)生煤屑量多少判斷應(yīng)力區(qū)，從而確定鉆孔封孔長(zhǎng)度。

（2）實(shí)驗(yàn)鉆孔施工方法及封孔長(zhǎng)度確定：在距工作面頂板1.5 m處均勻布置三個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度為25 m，直徑為75 mm，鉆孔仰角為5°；通過對(duì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)觀察發(fā)現(xiàn)，在鉆孔0～6 m范圍內(nèi)鉆屑量注漿增加，在7～11 m范圍內(nèi)鉆屑量逐漸降低，在11～25 m范圍內(nèi)鉆屑量趨于穩(wěn)定，其中在6 m處鉆屑量達(dá)到最大值，由此可以確定在鉆孔0～11 m范圍內(nèi)為卸壓區(qū)，在12 m后為原巖應(yīng)力區(qū)，所以最終確定301巷封孔長(zhǎng)度為12 m。

4.2 “兩堵一注”法封孔工藝

（1）首先采用直徑為75 mm鉆頭進(jìn)行開口，開口深度為12 m，開孔到位后采用直徑為130 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后保證鉆孔直徑為130 mm。

（2）鉆孔擴(kuò)孔后安裝兩根無(wú)縫封孔套管，每根套管長(zhǎng)度為6.0 m，兩根套管采用絲扣式連接，孔口管安裝后在距孔底部1.0 m，以及孔口1.0 m安裝封口器（長(zhǎng)度為0.5 m），并采用注漿泵向擴(kuò)孔底部及孔口處注射膨脹水泥，長(zhǎng)度為0.5 m，如圖2所示。

我國(guó)目前有高等學(xué)校2000余所，各高等學(xué)校讀者取用圖書館藏書及閱覽的現(xiàn)狀，主要有以下兩種傳統(tǒng)的方式——在館內(nèi)閱覽室閱讀和借閱(可以將圖書文獻(xiàn)帶出圖書館外閱讀)。紙質(zhì)圖書的主要流通方式是按照各自規(guī)定的管理辦法，借閱為主。

（3）膨脹水泥穩(wěn)固后繼續(xù)采用高壓注漿泵向鉆孔中部高壓注射聚氨酯漿液，注射壓力不得低于1.0 MPa，單孔注漿時(shí)間不得低于10 min。

（4）鉆孔封孔2 h后進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力不得低于2.0 MPa，單孔注水耐壓試驗(yàn)時(shí)間不得低于20 min，耐壓試驗(yàn)期間未發(fā)現(xiàn)煤體滲水以及孔口管竄動(dòng)現(xiàn)象時(shí)判定為鉆孔封孔質(zhì)量合格。

圖2 301工作面探水鉆孔“兩堵一注”法封孔工藝示意圖（單位：mm）

5 安全技術(shù)措施

5.1 放水期間煤壁及頂板維護(hù)安全技術(shù)措施

為了防止鉆孔放水期間發(fā)生煤壁片幫，頂板垮落事故，團(tuán)柏煤礦水害防控工程技術(shù)中心決定對(duì)鉆孔煤壁施工玻璃鋼帶及錨桿支護(hù)，對(duì)頂板施工撞楔超前玻璃錨桿支護(hù)。

（1）鉆孔施工完后在鉆孔周圍施工四根柔性玻璃鋼帶，鋼帶縱橫交錯(cuò)且成“井”字型布置，橫向鋼帶長(zhǎng)度為2.5 m，配套三根玻璃錨桿，錨桿間距為1.0 m；縱向鋼帶長(zhǎng)度為1.5 m，配套兩根玻璃錨桿，錨桿間距為1.0 m；玻璃鋼帶寬度為0.15 m，玻璃錨桿長(zhǎng)度為2.0 m，如圖3所示。

（2）在巷道頂板設(shè)計(jì)位置施工一排超前支護(hù)鉆孔，鉆孔深度為3.0 m，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔間距為0.5 m，共計(jì)施工8個(gè)鉆孔；鉆孔施工完后依次向鉆孔內(nèi)填裝錨固劑及加長(zhǎng)玻璃鋼錨桿（長(zhǎng)度為3.5 m），并采用手持式鉆機(jī)進(jìn)行錨固。

（3）待煤壁及頂板加強(qiáng)支護(hù)施工完后，在煤壁前方0.5 m處支設(shè)一排密集木柱，并在巷幫處施工一個(gè)儲(chǔ)水池。

圖3 301工作面探放水期間煤壁及頂板聯(lián)合支護(hù)斷面圖（單位：mm）

5.2 探放水施工安全技術(shù)措施

（2）施工期間操作人員必須扶牢鉆機(jī)，控制好鉆機(jī)給進(jìn)壓力及進(jìn)尺速度，觀察泵壓力情況、鉆孔回水情況以及鉆桿鉆機(jī)情況，同時(shí)應(yīng)對(duì)鉆機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)停鉆處理。

（3）在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)卡鉆、鉆桿彎曲時(shí)，必須立即松開鉆機(jī)離合器并撤退鉆機(jī)，對(duì)鉆頭進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鉆頭存在崩片或刃口磨損嚴(yán)重時(shí)必須立即更換鉆頭。

（4）在探放水施工過程中預(yù)計(jì)可能發(fā)生有害氣體涌出時(shí)，必須安排專職的瓦斯檢查員現(xiàn)場(chǎng)跟班。日常鉆探時(shí)，跟班隊(duì)長(zhǎng)要攜帶便攜式瓦檢儀。

（5）當(dāng)煤層賦存情況發(fā)生變化時(shí)，在保證安全探測(cè)距離的條件下，應(yīng)根據(jù)煤層賦存條件及異常情況，及時(shí)調(diào)整探放水鉆孔布置，務(wù)必保證掘進(jìn)巷道范圍的全覆蓋。

（6）鉆孔施工到位后發(fā)現(xiàn)有水流出時(shí)，應(yīng)進(jìn)行放水實(shí)驗(yàn)，放水過程中應(yīng)對(duì)水壓、水量及水流速度進(jìn)行記錄，并計(jì)算積水區(qū)積水量。

（7）為了防止水壓過大造成孔口管損壞，必須確?？卓诠芨鹘M件密封完好，若放水過程中發(fā)現(xiàn)水流、水壓很大時(shí)必須采用兩套安全閘門進(jìn)行控水。

（8）施工巷道探放水期間必須布置安全有效的避災(zāi)路線，并在巷道周邊施工一個(gè)水倉(cāng)以及配備相應(yīng)的排水設(shè)備。

6 應(yīng)用效果分析

（1）通過在工作面施工三個(gè)頂板探水孔、三個(gè)周邊及迎頭探水孔對(duì)巷道四周及頂板進(jìn)行水害探測(cè)，消除了巷道掘進(jìn)時(shí)受水害影響，避免了煤礦重大水害事故發(fā)生，保證了巷道安全快速掘進(jìn)。

（2）301巷掘進(jìn)期間共施工54個(gè)探水鉆孔，其中巷道掘進(jìn)至320～610 m段工作面布置的9個(gè)頂板探水孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，單孔放水量達(dá)43 m3/h，共計(jì)放水量為2485 m3，主要為上覆巖層K2灰?guī)r含水層積水，其他45個(gè)探水孔為干孔，同時(shí)301巷在掘進(jìn)期間未探測(cè)出工作面頂板及四周存在其他水害，如老空水、小窯水、斷層裂隙水等。

7 結(jié)語(yǔ)

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦水害防控工程技術(shù)中心通過技術(shù)研究，對(duì)301巷掘進(jìn)期間可能存在的水患進(jìn)行分析，并采取了合理有效的超前探測(cè)設(shè)計(jì)及安全施工技術(shù)措施。實(shí)踐證明301巷采取超前探放水施工后，保證了巷道安全快速掘進(jìn)，避免了巷道盲目掘進(jìn)造成水害事故發(fā)生，取得了顯著成效。