超前探放防治水技術(shù)在相鄰采區(qū)中的應(yīng)用

魏天樂 趙連剛 邢 永

（河南能源化工集團新疆公司永寧煤化潘津工業(yè)煤礦，新疆 伊犁 835099）

礦山水害的防治是礦山實現(xiàn)安全生產(chǎn)的一項重要內(nèi)容，很多學(xué)者對此做了大量的研究。劉斌[1]等人分析了國內(nèi)煤礦存在的水文地質(zhì)缺陷；黃華榮[2]等人研究了物探與鉆探等技術(shù)在礦山中的應(yīng)用；史先志[3]對承壓水上煤礦開采底板的破壞機理以及由此導(dǎo)致的水害進行了研究；許多學(xué)者[4-7]針對一些特殊的工作面、巨厚煤層等條件下開采，提出了一系列的防治水措施。潘津工業(yè)煤礦的2303 工作面與2302 采空區(qū)是兩個相鄰的工作面，由于2302 采空區(qū)存在大量的積水會對2303 切眼工作面與軌道順槽造成水害問題，為了解決其存在的水害問題，提出了在2303 切眼工作面采用超前探放防治水技術(shù)對水害進行防治。

1 工程概況

2303 工作面煤層走向75°，傾向165°，平均傾角17°，煤層厚度為15.3～16.5 m，平均厚度為15.9 m，屬于厚煤層。該工作面在掘進期間會出現(xiàn)頂板淋水的現(xiàn)象，主要的充水因素為地面大氣降水、八道灣組下段含水層、2302 回采工作面采空區(qū)以及2204 回采工作面采空區(qū)局部積水段。巷道在掘進期間，預(yù)計正常涌水量為6 m3/h，最大涌水量為10 m3/h，考慮后期2302 回采工作面采空區(qū)探放水50 m3/h 時，預(yù)計工作面最大涌水量可達60 m3/h。2302 采空區(qū)作為與2303 相鄰的工作面，其存在的積水對2303 工作面的正常開采可能存在嚴重威脅。2302 采空區(qū)面積為43 514.5 m2。2303 切眼掘進工作面斷面為矩形，斷面凈寬為3400 mm，凈高為2600 mm，S凈=8.84 m2；掘進寬度3600 mm，掘進高度2700 mm，S掘=9.72 m2。2303 切眼工作面的相對位置以及標(biāo)高等參數(shù)見表1。

表1 2303 切眼工作面具體參數(shù)

2 2302 采區(qū)水力計算

由于需要進行水害的防治，需要計算主要充水源2302 采空區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括采空區(qū)的積水量、水頭壓力等，為超前鉆探放水提供基礎(chǔ)工程數(shù)據(jù)。

由于2302 采空區(qū)積水區(qū)標(biāo)高范圍為+601.651～+636.6 m，積水區(qū)面積43 514.5 m2，因此采空區(qū)的積水量可以采用公式（1）計算：

Q=K×S×M/cosα（1）

式中：Q為采空區(qū)積水量，m3；K為采空區(qū)充水系數(shù)，取0.1；M為采空區(qū)平均采高或煤厚，m；S為采空積水區(qū)的水平投影面積，m2；α為煤層傾角，17°。

當(dāng)K取0.1，M按 照0.7 倍 采 厚 計 取11.2 m，S取43 514.5 m2時：Q=0.1×11.2×43 514.5/cos17°≈50 963 m3。因此2302 采空區(qū)的積水量為50 963 m3。

由于2302 采空區(qū)積水上限標(biāo)高為+636.6 m，2303 切眼探水的位置標(biāo)高為+587.412 m，因此采空區(qū)水頭高度為49.188 m，2302 采空區(qū)水頭壓力采用公式（2）計算：

P=ρ×g×h（2）

式中：P為水頭壓力，MPa；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；h為水頭高度，m。

當(dāng)ρ取1000 kg/m3，g取9.8 m2/s，h 取49.188 m 時：P=1000×9.8×49.188=482 042.4 Pa ≈0.48 MPa。因此2303 切眼探水位置的2302 采空區(qū)積水的最大水頭壓為0.48 MPa。

3 超前探放防治水技術(shù)的應(yīng)用

3.1 超前距的確定

為了確保探放水過程中的安全，探放水線需要距離積水線至少30 m，超前距采用公式（3）計算：

式中：L為超前距，m；K為安全系數(shù)，取5；M為巷道高度，2.6 m；P為水頭壓力，0.48 MPa；Kp為煤層抗張強度，取0.715 MPa。

計算得L=9.2 m。為提高安全系數(shù)，超前距取30 m。具體積水區(qū)探水線、積水區(qū)警戒線以及積水區(qū)的位置如圖1。

圖1 積水區(qū)、探水線、警戒線位置示意圖

3.2 鉆場布置

在2303 切眼通尺的89 m 位置開始施工鉆場，即測量控制點03J13 點前92.5 m。鉆場設(shè)計長度5.0 m，深度3.4 m，高度2.6 m，支護方式為“錨網(wǎng)索+鋼筋梯”。鉆孔放水利用2303 切眼開口位置施工的水倉進行抽排，水倉尺寸為長4 m、寬3 m、深1.5 m。

3.3 鉆孔設(shè)計

由于2302 采空區(qū)位于2303 切眼工作面的北側(cè)，鉆孔設(shè)計時對2302 采空區(qū)施工定向鉆孔，本次施鉆共計需布置3 個鉆孔。

1#鉆孔布置于鉆場正中偏左1.2 m 處，距巷道頂板高度為1 m，方位345°（與巷道掘進方位夾角14°43′58″），傾角為22°，鉆孔深度64 m；2#鉆孔布置于鉆場正中偏左0.5 m 處，距巷道頂板高度為1 m，方位345°（與巷道掘進方位夾角14°43′58″），傾角為16°，鉆孔深度61 m；3#鉆孔布置于鉆場正中偏右0.1 m 處，距離巷道頂板高度為1 m，設(shè)計方位為345°，傾角15°30′（與巷道掘進方位夾角14°43′58″），鉆孔深度為63 m。鉆孔具體布置以及相關(guān)參數(shù)如圖2 及表2。

圖2 鉆孔布置剖面圖（mm）

表2 放水鉆孔參數(shù)

3.4 鉆探放水設(shè)備

2303 切眼工作面超前鉆探工作使用ZDY4000L（A）型煤礦用全液壓坑道鉆機，施工地質(zhì)超前鉆探孔，鉆桿型號為Ф73 mm×1500 mm，配備60 根，具體設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 鉆孔設(shè)備參數(shù)

在鉆孔過程中，需要不斷調(diào)整鉆孔角度，保證施鉆方位角度誤差小于±1°。施鉆地點必須懸掛瓦斯、CO 便攜儀，以便檢測鉆進過程中是否存在有毒有害氣體，保證在施工過程中的安全。在后續(xù)的放水過程結(jié)束后，還需要對放水孔進行封孔，初期封孔方式為“關(guān)閉止水套管上的閘閥”，確保不漏風(fēng)。待工作面擴切眼前要求采用注漿泵壓注水泥漿進行全孔封堵，防止工作面漏風(fēng)。

3.5 工程應(yīng)用

2303 切眼工作面共布置了4 個鉆孔，4#鉆孔為驗證鉆孔，具體四個鉆孔的放水情況如圖3。

圖3 各鉆孔累計放水量

（1）1#鉆孔

9 月9 日夜班完成1#孔施工，1#孔0～73 m 煤（63 m 處透孔），鉆孔出水，初始水量23 m3/h，初始水壓0.49 MPa；9 月11 日進行疏孔，疏孔后水量65 m3/h，水壓0.49 MPa；10 月6 日早班水量0 m3/h；10 月9 日再次進行疏孔，確認鉆孔無水。該鉆孔累計放水372 h，放水30 117 m3。

（2）2#鉆孔

9 月9 日早班完成2#孔施工，2#孔0～72 m 煤（64 m 處透孔），鉆孔出水，初始水量0.36 m3/h，初始水壓0.42 MPa；9 月15 日進行疏孔，疏孔后水量84 m3/h，水壓0.49 MPa；截至10 月10 日早班水壓0.16 MPa，水量1.3 m3/h；10 月10 日再次進行疏孔，疏孔后鉆孔水量未發(fā)生明顯變化。從疏孔情況分析，能夠確認該鉆孔終孔層位積水已疏放完成，目前該鉆孔剩余的1.3 m3/h 水量主要為頂板砂巖裂隙水補給。該鉆孔累計放水488.5 h，放水17 574 m3。

（3）3#鉆孔

9月10日夜班完成3#孔施工，3#孔0～72 m煤（68 m 處透孔）、72～84 m 巖，鉆孔出水，初始水量4.6 m3/h，初始水壓0.48 MPa；截至10 月10 日早班水壓0.16 MPa，水量1.2 m3/h；10月10日再次進行疏孔，疏孔后鉆孔水量未發(fā)生明顯變化。從疏孔情況分析，能夠確認該鉆孔終孔層位積水已疏放完成，目前該鉆孔剩余的1.2 m3/h 水量主要為頂板砂巖裂隙水補給。該鉆孔累計放水488 h，放水2467 m3。

（4）4#鉆孔（驗證孔）

10 月8 日中班完成4#孔施工，4#孔（驗證孔）0～66 m 煤（63.5 m 處透孔），鉆孔出水，初始水量2.3 m3/h，初始水壓0.158 MPa；10 月10 日早班水壓0.158 MPa，水量1.1 m3/h。該水源主要為頂板砂巖裂隙水補給，因此2302 采空區(qū)積水已疏干。

4 結(jié)論

根據(jù)記錄前三個鉆孔累計放水量為50 158 m3，并分析4#鉆孔對2302 采空區(qū)積水探放的驗證情況可知，本次探放水工程設(shè)計與應(yīng)用合理，可判定2302 采空區(qū)積水疏放完成，2302 采空區(qū)對2303 切眼工作面及2303 軌道順槽不構(gòu)成水害威脅。