巷道超前鉆探設(shè)計(jì)及安全技術(shù)分析

倫辛濤

（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

綜合機(jī)械化開(kāi)采的應(yīng)用需要適應(yīng)的礦井地質(zhì)條件，在地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，需要在開(kāi)采前做好地質(zhì)勘查工作，若對(duì)地質(zhì)情況不了解，會(huì)對(duì)礦井開(kāi)采效率造成很大的影響。在前期資源勘查中，由于傳統(tǒng)地面鉆孔鉆探方式具有很大的局限性，使得井下物探結(jié)果具有多解性，這就需要在開(kāi)采前實(shí)施超前鉆探工作，了解地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境，為礦產(chǎn)開(kāi)采提供有利于參考數(shù)據(jù)。對(duì)此，在開(kāi)采工程中，要加大對(duì)超前鉆探工序的重視程度，根據(jù)實(shí)際情況和工程特征，制定超前鉆探設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化鉆探方式和鉆探流程，做好鉆探中的安全技術(shù)措施，保證鉆探過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性，順利完成施工作業(yè)，發(fā)揮出超前鉆探技術(shù)的價(jià)值和作用。在這樣的環(huán)境背景下，探究巷道超前鉆探設(shè)計(jì)及安全技術(shù)分析具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某礦采掘巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為916m，整體巷道形狀為矩形斷面，矩形斷面面積為4.0*3.5m。該巷道掘進(jìn)后暴露出礦層，礦層厚度可達(dá)到7.02m，在前期掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頂板出現(xiàn)淋水，工作人員利用電法進(jìn)行工作面頂板探測(cè)，發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)工作面前方掘進(jìn)方位內(nèi)存在頂板砂巖裂隙含水層富水區(qū)域，在巷道頂板上方4m 位置。由于該掘進(jìn)區(qū)域的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，存在斷層和大褶皺構(gòu)造發(fā)育，而此時(shí)巷道頂板薄弱地方有發(fā)現(xiàn)巖層富水區(qū)域，一旦盲目掘進(jìn)，頂板上方覆巖層的積水會(huì)隨著巖層裂隙進(jìn)入到巷道中，加劇頂板淋水，甚至?xí)l(fā)生巷道涌水情況，影響施工安全和施工進(jìn)度。對(duì)此，科學(xué)合理的巷道超前鉆探設(shè)計(jì)方案十分關(guān)鍵，還要配以安全技術(shù)措施，改變復(fù)雜地質(zhì)條件和巷道富水區(qū)域的影響，實(shí)現(xiàn)巷道安全掘進(jìn)，保證施工順利完成。

2 巷道超前鉆探設(shè)計(jì)

2.1 鉆探設(shè)備的選擇

根據(jù)巷道施工條件和地質(zhì)條件特征，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，選擇KHYD-425 型礦用專(zhuān)用鉆機(jī)，配以型號(hào)為φ42mm 的三翼鉆頭，在實(shí)際鉆探施工中，鉆桿直徑可達(dá)到60mm，設(shè)計(jì)方案中的鉆孔深度控制在72m 左右。設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

2.2 探水起點(diǎn)設(shè)定

在巷道超前鉆探過(guò)程中，為了防止施工人員發(fā)生安全事故，在接近富水區(qū)域時(shí)，要將富水區(qū)域范圍、水量和水位標(biāo)注在采掘工程圖紙上方，并在圖紙上注明積水線、探水線，明確警戒線具體范圍。

（1）標(biāo)注積水線。在標(biāo)注積水線時(shí)，按照小窯、老空下方最深區(qū)域進(jìn)行劃定，在該巷道施工中，結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)，積水線標(biāo)高標(biāo)記是+1207m。

（2）標(biāo)注探水線。在標(biāo)注探水線時(shí)，按照巷道掘進(jìn)中的富水區(qū)域位置、范圍進(jìn)行劃定，深入了解富水區(qū)域的水文地質(zhì)條件，掌握施工巷道環(huán)境和受壓破壞情況，綜合考量。若無(wú)法明確巷道掘進(jìn)時(shí)的富水區(qū)邊界，可以根據(jù)具體的水文地質(zhì)資料和圖紙，把探水線劃定在60m處。

（3）標(biāo)注警戒線。在警戒線范圍標(biāo)注時(shí)，要按照探水線位置來(lái)標(biāo)注警戒線范圍，通常情況下，可以在巷道掘進(jìn)中把探水線向外側(cè)移動(dòng)100m 左右，形成探水線。但是結(jié)合該巷道的地質(zhì)條件和薄弱區(qū)域富水情況，以探水線向外移動(dòng)80m 設(shè)定警戒線。

2.3 鉆孔設(shè)計(jì)

（1）超前控制距離。在巷道超前控制距離設(shè)定中，計(jì)算公式為：，其中，a 代表超前距離；A 代表安全系數(shù),取值為5 ；L 代表巷道寬度，取值為5.2m。代入已知數(shù)后，得到m。在實(shí)際掘進(jìn)中，為了保證施工安全，需要增加保護(hù)距離，得到超前控制距離為：m。

（2）允許掘進(jìn)距離。在巷道探水鉆孔順利完成施工后，工作人員要計(jì)算允許掘進(jìn)距離，計(jì)算公式為：“最短鉆孔水平投影長(zhǎng)度- 超前保護(hù)距離= 允許掘進(jìn)長(zhǎng)度”。由于該巷道地質(zhì)條件為中等水平，巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)存在很多斷層破碎帶，再加上巖層覆蓋的裂隙含水層，增加了巷道鉆探難度，綜合考慮下，得到最大探水線長(zhǎng)度可設(shè)置為70m，在超前控制距離：m 的前提下，代入公式得到允許掘進(jìn)距離為45m。如圖1 所示，為本巷道工程允許掘進(jìn)范圍施工示意圖。

（3）計(jì)算幫距。在巷道超前鉆探中，要預(yù)留出安全礦柱的位置和寬度，而幫距就是工作面上扇形探水鉆孔外側(cè)鉆孔范圍中和巷道巷幫的垂直距離。一般情況下，幫距要比超前控制距離小1～2m，如圖1所示，本巷道工程幫鉆探施工中的幫距可設(shè)置成24m。

（4）鉆孔密度。在巷道超前鉆探過(guò)程中，豎直扇形范圍內(nèi)鉆孔終孔垂距要在1.5m 以?xún)?nèi)，而水平扇形范圍內(nèi)鉆孔終孔水平距離要在3m 以?xún)?nèi)。

表1 KHYD-425 型礦用專(zhuān)用鉆機(jī)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 本巷道工程允許掘進(jìn)范圍施工示意圖

（5）鉆孔布置。在巷道超前鉆探過(guò)程中，以探測(cè)巷道上方斷層破碎帶積水和巖層覆蓋的裂隙含水層裂隙水為主，將探水鉆孔布設(shè)為半扇形結(jié)構(gòu)，共布設(shè)四個(gè)鉆孔，分別為1#、2#、3#、4#，如圖1 所示，使其形成一個(gè)半扇形結(jié)構(gòu)，覆蓋在整個(gè)巷道掘進(jìn)范圍內(nèi)。鉆孔4#、2#、3# 依次排列，處于同一水平面上，鉆孔4# 和鉆孔2# 的間距為1000mm，鉆孔2# 與鉆孔3# 的間距為1000mm，距離底板2000 的位置，按照工作面傾斜角8°進(jìn)行布設(shè)。1# 鉆孔設(shè)置距離底板1500mm 的位置，垂直于工作面，且距離工作面2000mm。

2.4 鉆孔施工

在鉆孔施工中，距離底板1m 的位置設(shè)置兩根錨桿，將錨桿間距控制為0.4m 左右，并通過(guò)鐵絲固定好錨桿上方的鉆機(jī)跑道前端位置，通過(guò)金屬支架支撐鉆機(jī)跑道后方，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整鉆機(jī)方向，準(zhǔn)確無(wú)誤后就可固定連接。在鉆進(jìn)之前，施工人員可以在鉆機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)涂抹一層潤(rùn)滑劑，并對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行正反雙向?qū)嶒?yàn)，檢查鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)整鉆機(jī)鉆頭位置，保證鉆機(jī)達(dá)到最佳的鉆進(jìn)狀態(tài)。在實(shí)際鉆探時(shí)，受到巷道環(huán)境影響，鉆頭很容易發(fā)生反水情況，作業(yè)人員可以緩慢連接離合器來(lái)開(kāi)孔，待鉆頭深入到開(kāi)采層后，立即收緊離合器進(jìn)行鉆進(jìn)，四個(gè)鉆孔達(dá)到預(yù)計(jì)深度后就可以停止鉆進(jìn)。

3 巷道超前鉆探施工安全技術(shù)措施

3.1 掘進(jìn)支護(hù)措施

在巷道超前鉆探施工過(guò)程中，為了避免涌水或是突水的情況，保證施工人員的人身安全，要在工作面上方設(shè)置兩排木柱，并在木柱上方用螺栓釘固定擋板，可以有效抵擋突水、涌水事故對(duì)巷道設(shè)備和施工人員的沖擊。除此之外，施工人員要在安裝區(qū)域的頂板位置設(shè)置支護(hù)設(shè)備，保證施工作業(yè)的順利開(kāi)展。

3.2 做好排水措施

（1）設(shè)置排水管路。巷道排水管道布設(shè)中，選擇4 寸、6 寸的無(wú)縫鋼管，分別設(shè)置在巷道以北與底板距離1300mm 的位置，每隔50m 的位置設(shè)置一個(gè)支管閥門(mén)，每隔100m 的位置設(shè)置一個(gè)閘閥，隨著巷道掘進(jìn)施工的開(kāi)展，要保證排水設(shè)施的同步連接固結(jié)。同時(shí)，在掘進(jìn)工作面范圍內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)排水泵，配合排水管路作業(yè)，隨著掘進(jìn)工作面的拓展而跟進(jìn)，一旦出現(xiàn)工作面涌水的情況，需要啟動(dòng)排水泵排出工作面的積水，特別是在突然涌水的情況下，可以?xún)蓚€(gè)排水泵同時(shí)啟動(dòng)，及時(shí)排除掘進(jìn)工作面的積水。

（2）排水系統(tǒng)建設(shè)。巷道超前鉆探中，可以利用巷道排水管排出工作面的積水，分別在三采區(qū)膠帶巷內(nèi)段與外段排水管進(jìn)行共同布設(shè)，排水方向?yàn)椤肮ぷ髅妗锏纼?nèi)部——三采區(qū)膠帶巷內(nèi)段——三采區(qū)膠帶巷外段——水倉(cāng)”，在工作面低洼位置，設(shè)置臨時(shí)水坑，設(shè)置排水泵排出集水坑中的積水。

3.3 制定專(zhuān)項(xiàng)施工安全方案

在巷道超前鉆探前，要制定專(zhuān)項(xiàng)施工方案和施工安全措施，明確探水位置和鉆孔參數(shù)，包括鉆孔數(shù)量、鉆孔深度、鉆孔角度、具體位置等參數(shù)，根據(jù)巷道鉆進(jìn)情況和水文環(huán)境，制定施工安全措施，為施工人員和施工設(shè)備提供安全保障。

第一，在鉆孔施工前，要安排專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)掘進(jìn)過(guò)程，嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，保證施工質(zhì)量。同時(shí)，為了避免放水過(guò)程中產(chǎn)生巨大的水壓，造成安全事故，在探水鉆孔過(guò)程中，作業(yè)人員可以在孔口位置設(shè)置孔口管和控制閘閥，防止突水或是涌水的情況，保證施工安全。

第二，鉆孔施工過(guò)程中，若出現(xiàn)鉆孔成型不良或是頂鉆的情況，需要停止鉆機(jī)的鉆進(jìn)，立即將情況上報(bào)給調(diào)度中心實(shí)施有效措施，一旦鉆進(jìn)過(guò)程中，水壓超過(guò)可允許限值，可以在出水口位置安裝防噴裝置，通過(guò)這種反壓措施達(dá)到穩(wěn)定鉆進(jìn)的目的。

第三，在鉆孔過(guò)程中要實(shí)施觀測(cè)巖層變化情況，記錄鉆進(jìn)后的巖層厚度，每鉆進(jìn)10m 就要檢測(cè)一次鉆孔深度，計(jì)算鉆孔終孔距離位置和富水區(qū)距離，便于施工決策。同時(shí)，為了防止巷道鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)一氧化碳等有害氣體的泄露，可以在掘進(jìn)工作面安裝監(jiān)測(cè)裝置，定期對(duì)鉆孔附近區(qū)域進(jìn)行有害氣體監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)有害氣體含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，要立即組織作業(yè)人員撤離施工區(qū)域，加大通風(fēng)設(shè)置的安裝，及時(shí)排除有害氣體，保證施工進(jìn)度，避免不必要的人員傷亡。

第四，在鉆進(jìn)過(guò)程中，作業(yè)人員要詳細(xì)記錄水壓、放水量和放水時(shí)間等，得到富水區(qū)剩余水量，在鉆孔施工結(jié)束后，要及時(shí)封堵放水口，通過(guò)水泥漿封堵在鉆孔中，封堵長(zhǎng)度超過(guò)1m，在封堵完成后還要開(kāi)展注壓試驗(yàn)，提高封堵的牢固性和可靠性。同時(shí)，在鉆進(jìn)之前，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人要組織施工人員進(jìn)行安全知識(shí)的學(xué)習(xí)，發(fā)放安全資料，使得施工人員樹(shù)立正確的安全意識(shí)，按照施工規(guī)范進(jìn)行操作，熟悉和了解避災(zāi)路線和應(yīng)急救援方案，一旦發(fā)生安全事故，可以及時(shí)做出自救逃生措施，保證施工人員的人身安全。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在巷道超前鉆探施工中，要做好前期地質(zhì)勘查工作，及時(shí)了解巷道地質(zhì)環(huán)境和水文環(huán)境，明確巷道超前鉆探施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)，以此為依據(jù)，編制巷道超前鉆探施工設(shè)計(jì)方案，選擇合理的鉆探設(shè)備，明確探水點(diǎn)，優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)方案和施工工藝，并做好安全技術(shù)措施，保證巷道掘進(jìn)工程的順利開(kāi)展。