裂隙砂巖頂板掘進巷道探放水技術(shù)研究

席健

【摘 要】 本文針對裂隙砂巖頂板掘進巷道滲水量較大的問題，進行了探放水設(shè)計及防治措施。以山西某礦2號煤層東翼開拓巷道為例，對出水情況進行分析，研究表明：1.出水通道主要為2號煤層裂隙及巷道掘進引起的塑性區(qū);2.根據(jù)巷道出水特征，提出以長鉆孔探測、短鉆孔疏排為核心的防治水技術(shù)，并對長距離探放鉆孔、短距離疏排水鉆孔進行設(shè)計。采取防治水措施后，東翼開拓巷道掘進迎頭出水量控制在15m3/h以內(nèi)，確保了巷道掘進安全，并在一定程度上提升了巷道掘進效率。

【關(guān)鍵詞】 巷道掘進;含水層;出水通道;探放水;疏排水

【中圖分類號】 TD745 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）02-0031-03

水害是制約礦井生產(chǎn)安全的不利因素，現(xiàn)階段水害防治技術(shù)有疏、堵兩種形式，前者主要通過注漿進行，后者則主要是通過鉆孔實現(xiàn)。由于煤炭賦存條件差異，不同區(qū)域采取的水害治理措施應根據(jù)礦井所處環(huán)境有針對性開展。

1工程概況

山西某礦主要開采2號煤層，煤層厚度1.8～3.6m（平均2.09m），埋藏深度平均380m，頂板以粉砂、細砂巖為主，底板以粉砂巖為主。具體頂?shù)装鍘r性見圖1。

礦井在東翼掘進2號煤層運輸大巷、回風巷以及輔助運輸巷大巷過程中，隨著向東掘進延伸距離的增加，巷道內(nèi)涌水量呈現(xiàn)出逐漸增加趨勢。輔助運輸巷掘進至430m位置處，掘進迎頭實測涌水量最大為130m3/h，隨著巷道不斷掘進，出水量保持在60m3/h且具有一定的出水壓力。由于巷道掘進涌水量較大，若繼續(xù)掘進則存在一定的隱患。

在2號煤層西翼巷道掘進涌水量處于低位，一般在15m3/h以內(nèi);東翼巷道不斷延伸，出水量呈現(xiàn)出增加趨勢，出水主要來自于2號煤層本身及頂板;底板在巷道掘進過程中無出水點。

在東翼掘進的運輸大巷、回風巷以及輔助運輸巷內(nèi)涌水有以下特點：在北側(cè)的輔助運輸巷出水量>南側(cè)東翼回風大巷出水量>中間運輸大巷出水量。同時由于巷道間的掘進速度存在差異，超前掘進巷道出水量顯著大于滯后巷道掘進涌水量。依據(jù)礦井掘進巷道出水量分析，2號煤層整體東翼富水性較強，在東翼北側(cè)煤層富水性高于南側(cè)。

2掘進巷道出水條件分析

巷道出水條件與巷道圍巖、出水通道、出水水源以及礦井生產(chǎn)情況密切相關(guān)。為掌握巷道出水條件，首先應分析巷道掘進對圍巖造成的影響，并結(jié)合礦井實際生產(chǎn)條件，分析具體的出水水源以及出水通道，從而為后續(xù)的防治水措施制定提供一定參考依據(jù)。

2.1巷道掘進圍巖塑性區(qū)

在巷道掘進開挖影響下，圍巖會有一定程度應力集中，從而有一定范圍的塑性區(qū)產(chǎn)生，在塑性區(qū)范圍內(nèi)裂隙較為發(fā)育，是良好的出水通道。礦井東翼輔助運輸巷設(shè)計寬、高分別為5.4m、4.25m，巷道沿著2號煤層底板掘進，采用數(shù)值模擬軟件分析得出的巷道掘進后圍巖塑性區(qū)分布范圍見圖2。

2.2巷道出水因素分析

2.2.1出水水源

地表水以及大氣降水是2號煤層東翼掘進巷道出水的間接出水水源。

根據(jù)東翼輔助運輸巷迎頭出水點并結(jié)合掘進巷道引起的塑性區(qū)分布范圍分析，2號煤層內(nèi)部裂隙較為發(fā)育，在煤層裂隙內(nèi)有出水甚至噴水現(xiàn)象，部分裂隙被方解石以及黃鐵礦等物質(zhì)填充，說明2號煤層在沉積發(fā)育過程中形成有大量伴生裂隙，這些裂隙是天然的儲水空間，加之煤層頂板砂巖中裂隙較為發(fā)育，造成煤層與上覆砂巖含水層直接聯(lián)通，上覆砂巖含水層水沿著裂隙在重力作用下涌入到煤層裂隙中。因此巷道掘進出水的直接水源為2號煤層裂隙水及砂巖裂隙水。具體現(xiàn)場采集到的2號煤層頂板砂巖見圖3。

2.2.2出水通道

巷道掘進過程中引起的塑性區(qū)、局部存在的斷層裂隙、煤層原始伴生裂隙以及封閉不良地質(zhì)鉆孔等均為巷道出水通道。

綜合上述分析，礦井東翼2號煤層掘進的巷道出水直接來源于2號煤層本身的裂隙水、頂板砂裂隙水，大氣降水、地表水等均為間接水源;出水通道主要為2號煤層本身裂隙、巷道掘進引起的塑性區(qū)，其次為局部地質(zhì)構(gòu)造以及封閉不良地質(zhì)鉆孔。

3掘進巷道探放水設(shè)計

3.1探放水方式

礦井東翼3條開拓巷道掘進沿2號煤層底板掘進，均為半煤巖矩形巷道，根據(jù)上述分析得知，2號煤層本身為頂板砂巖，含水層為間接充水水源。煤層出水已經(jīng)對巷道安全掘進帶來不利影響，為了改善巷道掘進環(huán)境，確保巷道掘進安全，需要超前對2號煤層裂隙水進行疏排。

巷道探放水工作開展按照長鉆孔探測、短鉆孔疏排開展，具體是采用長距離鉆孔對富水區(qū)域進行探測，利用短鉆孔進行疏排。

為了提高探放水鉆孔施工效率，降低探放水工作對掘進造成的影響，并依據(jù)2號煤層水壓情況，采用長距離鉆孔（鉆進長度500～700m）進行探測。

3.2探測鉆孔參數(shù)

3.2.1施工參數(shù)

在進行探放水時，為了確保巷道掘進安全，需要有一定的超前探測距離，超前探測距離與水壓、煤體強度以及煤層厚度等相關(guān)，根據(jù)《煤礦防治水細則》中推薦公式，超前探測距離可以采用下述公式計算：

其中：L表示超前探測距離（應在20m以上）;K表示安全系數(shù)（取值3）;M表示煤層厚度（取值2.09m）;p表示水頭壓力（取值3.21MPa）;kp表示煤體抗壓拉強度（取值0.401MPa）。

計算得出L=17.59m。根據(jù)《煤礦防治水細則》有關(guān)內(nèi)容，最終設(shè)計的超前探測距離為30m，巷幫兩側(cè)探測距離為20m。

3.2.2允許掘進距離

巷道允許掘進距離根據(jù)探超前探放距離以及放水鉆孔終孔位置決定。在滿足《煤礦防治水細則》有關(guān)規(guī)定基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井2號煤層東翼掘進巷道出水情況，超長探測鉆孔距離為530m，巷道允許掘進距離為500m，保留安全距離為30m;短距離疏排鉆孔長度為130m，允許掘進距離為100m，保留安全距離為30m。

3.2.3鉆孔止水套管長度

由于2號煤層內(nèi)水頭壓力在3.1MPa>3MPa，依據(jù)《煤礦防治水細則》規(guī)定，長距離探放水鉆孔及短距離疏排水鉆孔止水套管長度均選取25m。

3.2.4鉆孔終孔間距及孔徑

鉆孔終孔間距指的是在允許掘進距離范圍內(nèi)的探放水鉆孔最大間距，由于礦井采用長距離、短距離鉆孔相結(jié)合方式，因此，長距離探放水鉆孔終孔間距控制在20m，且應控制巷幫兩側(cè)各20m范圍;短距離探放水鉆孔根據(jù)涌水情況靈活布置，終孔間距為15m。

長距離探放水鉆孔孔徑為96mm，短距離疏排水鉆孔孔徑為75mm。

3.3長距離探放水鉆孔設(shè)計

為了確保東翼三條開拓巷道可以正常掘進，并降低由于鉆孔鉆進施工及鉆孔對正常掘進影響，在探放水鉆孔鉆場退后掘進迎頭15m處開設(shè)鉆場（長、寬、高分別為8.0m、6.0m、3.5m），具體鉆場示意圖見圖4。

鉆場內(nèi)鉆孔開孔位置高于2號煤層底板0.8～1.2m，每個鉆場內(nèi)布置一個長距離探放水鉆孔，探測距離控制在530m，允許巷道掘進距離為500m。由于運輸大巷位于輔助運輸巷及回風大巷間，屬于兩條掘進巷道疏排水鉆孔交叉影響范圍內(nèi)，因此不再單獨布置長距離探放水鉆孔，探放水鉆孔布置示意圖見圖5。

2號煤層硬度在1.5～2.0，煤層較為堅硬，為了確保長距離探放水鉆孔成孔質(zhì)量，鉆孔開孔孔徑選擇165mm，待鉆進26m后下放壁厚5mm、直徑127mm、長25m止水套管，隨后鉆孔以96mm孔徑鉆進至設(shè)計位置，具體封孔裝置見圖6，長距離探放水鉆孔施工參數(shù)見表1。

3.4短距離疏排水鉆孔

鉆孔鉆進時開孔孔徑為127mm，待鉆進至26m位置時下方放直徑108mm、長度25mm止水管，隨后更換75mm鉆頭繼續(xù)鉆進至設(shè)計位置。在疏排水鉆孔施工過程中應按照規(guī)定安裝防突水裝置。

4總結(jié)

本文對礦井東翼開拓巷道掘進期間出水進行分析，巷道出水直接來源于2號煤層裂隙水及上覆砂巖裂隙水，大氣降水、地表水等為間接水源;出水通道主要為2號煤層本身裂隙、巷道掘進引起的塑性區(qū)，其次為局部地質(zhì)構(gòu)造以及封閉不良地質(zhì)鉆孔。

根據(jù)掘進巷道出水特征，掘進巷道探放水工作開展按照長鉆孔探測、短鉆孔疏排開展，具體是采用長距離鉆孔對富水區(qū)域進行探測，利用短鉆孔進行疏排。并具體對長距離探放鉆孔、短距離疏排水鉆孔進行設(shè)計。

在掘進巷道采取防治水措施后，不僅未降低巷道掘進效率，而且在一定程度上提升巷道掘進效率，確保了巷道掘進安全。

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