采空區(qū)探放水施工技術(shù)應(yīng)用分析

徐 寧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)南河煤礦， 山西 晉城 048400）

1 15109 回風(fēng)順槽概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)南河煤礦15109 回風(fēng)順槽位于井田一采區(qū)，巷道南北走向布置，巷道東部為15109 運(yùn)輸順槽，南部為采區(qū)大巷，西部為15106 采空區(qū)。

15109 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 660 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)煤層為15號(hào)，煤層發(fā)育完整，厚1.54～4.76 m，平均厚度3.15 m，平均傾角為4°，煤層偽頂以泥巖為主，平均厚度為0.4 m，直接頂以灰?guī)r為主，平均厚度為8.87 m，直接頂主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，平均厚度為7.84 m。

15109 運(yùn)輸順槽與15107 采空區(qū)間隔安全煤柱寬度為30 m，根據(jù)南河煤礦15109 運(yùn)輸順槽水文地質(zhì)資料顯示，15109 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間受15107 采空區(qū)積水影響較大，預(yù)計(jì)15107 采空區(qū)內(nèi)積水量達(dá)2 457 m3；截至目前15109 運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)340 m，巷道在前期掘進(jìn)過(guò)程中由于受采空區(qū)積水影響，以及前期探放水施工不到位等，造成巷道圍巖出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，平均淋水量達(dá)1.4 m3/h，導(dǎo)致采空區(qū)巷幫片幫以及局部支護(hù)失效嚴(yán)重，制約著巷道安全快速掘進(jìn)。

2 采空區(qū)探放水設(shè)計(jì)

2.1 鉆探設(shè)備選擇

15109 回風(fēng)順槽采用ZY-750D 煤礦用全液壓鉆機(jī)對(duì)15107 采空區(qū)施工探水鉆孔，鉆機(jī)具體技術(shù)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)

2.2 鉆孔布置參數(shù)

15109 回風(fēng)順槽沿15 號(hào)煤層底板平行掘進(jìn)，采空區(qū)鉆孔成扇形布設(shè)，鉆孔布置在采空區(qū)巷幫上，巷道每掘進(jìn)100 m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置3個(gè)鉆孔，鉆孔距底板間距為1.0 m，為了實(shí)現(xiàn)超前鉆探，鉆孔與巷幫夾角為45°布置，鉆孔深度為50 m。

2.3 鉆孔封孔工藝

為進(jìn)一步提高探水鉆機(jī)的封孔質(zhì)量，并科學(xué)合理地確定封孔深度，南河煤礦地測(cè)防治水科確定通過(guò)實(shí)測(cè)鉆孔煤屑量法確定封孔深度，并采取二堵一注法實(shí)施封孔[1-2]。

2.3.1 封孔長(zhǎng)度確定

1）鉆孔煤屑量法基本原理。因卸壓區(qū)壓力較大、煤體疏松，在鉆孔鉆進(jìn)時(shí)鉆孔內(nèi)的煤屑量會(huì)增多，但在原巖應(yīng)力區(qū)的煤體內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到均衡狀態(tài)，鉆孔鉆進(jìn)時(shí)壓強(qiáng)減小，所形成的煤屑量也相應(yīng)較少，所以通過(guò)鉆孔產(chǎn)生煤屑數(shù)大小判定了內(nèi)部的應(yīng)力區(qū)，并以此判定鉆機(jī)封孔尺寸。

2）封孔長(zhǎng)度確定。在距底板1.0 處均勻布設(shè)1 個(gè)試驗(yàn)鉆孔，鉆孔總長(zhǎng)為30 m，孔徑為75 mm，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)觀測(cè)表明，在鉆進(jìn)0～6.0 m 區(qū)域內(nèi)的鉆屑量逐漸增加，在6～12 m 區(qū)域內(nèi)的鉆屑量逐步下降，在12 m后鉆孔內(nèi)產(chǎn)生的煤屑量趨于平衡，其中在6.0 m 處的鉆屑量達(dá)到了最大，從而能夠判斷在該鉆進(jìn)的0～12 m區(qū)域內(nèi)為卸壓區(qū)，在12 m 后則為原巖應(yīng)力區(qū)，從而確定鉆孔封孔長(zhǎng)度為12 m。

2.3.2 “兩堵一注”法封孔工藝

1）先進(jìn)行鉆孔開(kāi)口施工，開(kāi)口直徑為75 mm，開(kāi)口深度為12.5 m，開(kāi)孔到位后再選擇孔徑為130 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔到位后保證鉆孔擴(kuò)孔段直徑不低于130 mm。

2）鉆機(jī)擴(kuò)孔后裝有2 根無(wú)縫封孔套筒，每根套筒總長(zhǎng)度為6.0 m，直徑為108 mm，兩根套筒采取絲扣式聯(lián)接,孔口管裝配后在距孔下部1.0 m，以及孔口1.0 m 處安裝PKJW 型封口器（直徑為0.5 m），并采用膨脹水泥進(jìn)行封堵，如圖1 所示。

圖1 探水鉆孔“兩堵一注”封孔平面示意圖（單位：mm）

3）當(dāng)膨脹的水泥完全穩(wěn)固后，采用高壓注漿泵向封孔器封堵的環(huán)形空間高壓注入聚氨酯漿液，注入壓力不能小于1.0 MPa，且單孔的注漿材料持續(xù)時(shí)間不能小于10 min。

4）封孔2 h 后通過(guò)注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力不低于2.0 MPa，單孔注水耐壓試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不能小于20 min，耐壓試驗(yàn)期內(nèi)未出現(xiàn)煤體滲漏或者孔管竄動(dòng)現(xiàn)象時(shí)判斷為鉆進(jìn)封孔工程質(zhì)量驗(yàn)收合格。

3 探放水安全技術(shù)措施

3.1 鉆場(chǎng)圍巖支護(hù)技術(shù)

為避免在探放水期間產(chǎn)生煤壁片幫、頂板垮落等事故，南河煤礦地測(cè)防治水科決定對(duì)鉆場(chǎng)煤壁施工玻璃鋼帶及錨索支護(hù)，對(duì)頂部施工撞楔超前玻璃鋼錨桿支護(hù)。

1）采空區(qū)探放水鉆孔施工完后，再鉆孔附近施工四根柔性玻璃鋼帶，鋼帶縱橫且成"井"字形布置，橫向鋼帶長(zhǎng)度為2.5 m，并配有三根玻璃錨桿，張拉錨桿距離約為1.0 m；縱向鋼帶長(zhǎng)度為1.5 m，并配有2 根玻璃錨桿，與張拉錨桿距離為1.0 m，如圖2所示。

2）為了防止探放水期間出現(xiàn)頂板垮落現(xiàn)象，在放水施工前對(duì)設(shè)計(jì)頂板處施工一排超前玻璃鋼錨桿支護(hù)，首先在頂板位置施工一排超前支護(hù)孔，孔深為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)支護(hù)孔，支護(hù)孔施工后依次對(duì)鉆孔內(nèi)錨注長(zhǎng)度為3.2 m，直徑為25 mm 玻璃鋼錨桿，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)探水鉆場(chǎng)支護(hù)平面示意圖（單位：mm）

3）為了進(jìn)一步提高鉆場(chǎng)圍巖整體穩(wěn)定性以及探放水施工安全，鉆孔煤壁加固后在鉆場(chǎng)處支設(shè)一排密集木柱，共計(jì)支設(shè)10 根，煤柱支設(shè)間距為0.5 m；同時(shí)在探水鉆孔下方底板處施工一個(gè)臨時(shí)蓄水池，蓄水池規(guī)格為長(zhǎng)×寬×深=1.5 m×1.0 m×0.8 m。

3.2 探放水安全技術(shù)

1）在鉆機(jī)安裝過(guò)程中鉆頭與液壓系統(tǒng)動(dòng)能站對(duì)接裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)將鉆頭調(diào)節(jié)閥與動(dòng)能站截?cái)嚅y完全封閉，鉆機(jī)架設(shè)時(shí)要求穩(wěn)定堅(jiān)固，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)浮煤清理干凈。

2）在鉆孔施工過(guò)程中作業(yè)人員應(yīng)當(dāng)扶牢鉆機(jī)，并控制好鉆機(jī)的進(jìn)壓和進(jìn)尺轉(zhuǎn)速，并觀測(cè)泵壓壓力狀況、鉆機(jī)的回水狀況以及鉆桿鉆機(jī)狀況，同時(shí)也應(yīng)對(duì)鉆機(jī)的工作狀況加以觀測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行停鉆處置。

3）鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)鉆機(jī)卡鉆、鉆桿扭曲現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)松開(kāi)鉆機(jī)分離器或撤出鉆頭，并應(yīng)對(duì)鉆機(jī)實(shí)施進(jìn)一步檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)上存在的崩片或刃口損壞較嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即調(diào)換鉆機(jī)。

4）當(dāng)探放水施工過(guò)程中預(yù)計(jì)可能出現(xiàn)有害氣體涌出時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的瓦斯排放檢驗(yàn)員在現(xiàn)場(chǎng)跟班，日常鉆探時(shí)，跟班組長(zhǎng)須帶上便攜式瓦檢儀[3-5]。

4 應(yīng)用效果

截止2021 年1 月21 日15109 回風(fēng)順槽已掘進(jìn)到位，15109 回風(fēng)順槽共計(jì)施工12 個(gè)鉆場(chǎng)，36 個(gè)采空區(qū)探水鉆場(chǎng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探放水施工發(fā)現(xiàn)，36 個(gè)探水鉆孔中有21 個(gè)為濕孔，15 個(gè)為干孔，共計(jì)放水量為2 387 m3，探放水完成后巷道在后期掘進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)因采空區(qū)積水壓力影響，導(dǎo)致巷幫及頂板出現(xiàn)垮落、破碎現(xiàn)象，巷道圍巖淋水量降低為0.3 m3/h，完全消除了15107 采空區(qū)積水隱患，保證了15109回風(fēng)順槽安全掘進(jìn)，取得了顯著應(yīng)用成效。