開元礦井下探放水方案設(shè)計及應(yīng)用

鄭建龍

（華陽集團(tuán) 開元公司，山西 晉中 045400）

0 引 言

開元公司位于山西省壽陽縣城北西14 km 處，西距太原45 km，占地面積27.5 km2。南鄰太舊高速，中部有307 國道，坑口有石太運(yùn)煤鐵路專線，交通便利。開元礦15402 巷道通過地質(zhì)勘測，其頂板上方存在采空區(qū)積水問題，給巷道掘進(jìn)帶來潛在危險。實踐表明，漏水是引發(fā)礦井安全事故的關(guān)鍵因素之一，巷道頂部采空區(qū)積水或圍巖積水是導(dǎo)致的巷道頂板漏水的主要因素。針對積水問題，可采取探放水技術(shù)進(jìn)行治理，將采空區(qū)或圍巖內(nèi)部的積水超前排放，解決頂板漏水隱患。然而，井下工況復(fù)雜，探放水作業(yè)中多會出現(xiàn)各種施工問題，影響探放水作業(yè)安全和進(jìn)度。因此，必須結(jié)合礦井實際，對探放水的工藝和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，以提高探放水施工技術(shù)水平，確保煤炭開采安全。

1 探放水工程概況

開元礦15402 巷道位于采區(qū)的北側(cè)，該巷道沿著9 號煤底板進(jìn)行采掘，巷道橫斷面呈矩形，寬度4.6 m、高度3.3 m，總長2 303 m。15402 巷道所在的煤層多為石炭系煤層，煤層厚度3.51～5.8 m，平均厚度4.93 m。煤層工作面周邊區(qū)域未出現(xiàn)明顯的斷層及其他不良狀況，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。15402 巷道直接頂圍巖為砂質(zhì)泥巖，圍巖平均厚度2.63 m。煤炭開采作業(yè)中易出現(xiàn)圍巖壓力波動，導(dǎo)致頂板圍巖發(fā)生斷裂、破碎等問題?；卷斠矊儆谏百|(zhì)泥巖，平均厚度4.98 m。底板為砂質(zhì)泥巖、局部細(xì)粒砂巖，平均厚度13.7 m。采空區(qū)距頂板約10 m，采空區(qū)存有積水。15402 巷道掘進(jìn)中容易出現(xiàn)頂板漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全，影響施工進(jìn)度。因此，為確保巷道掘進(jìn)安全，采取科學(xué)的探放水措施。

2 井下巷道探放水方案設(shè)計

2.1 探放水施工設(shè)備選擇

根據(jù)15402 巷道的實際狀況，進(jìn)行探放水施工方案的設(shè)計。鉆孔設(shè)備采用CMSI-8000/90 型礦用深孔鉆車，選擇φ42 mm 鉆頭、φ65 mm 鉆桿，鉆孔深度為70 m。

2.2 探放水方案中孔位的布置

為有效保障巷道采掘作業(yè)中的探放水效果，在工作面迎頭區(qū)域布置7 個探放水鉆孔，編號依次為K1～K7?？咨钊繛?0 m，鉆孔呈扇形分布，具體如圖1 所示。

圖1 探放水鉆孔的位置分布情況Fig.1 Position distribution of water exploration and drainage borehole

K1～K4 孔主要用于控制頂板漏水問題，在距離頂板1 500 mm 的區(qū)域?qū)嵤┿@孔，孔間距為800 mm，鉆孔的仰角均為12°，水平角有所不同，其中K1、K2 鉆孔水平角為0，K3、K4 鉆孔水平角分別為-13°及13°。K5～K7 主要用于控制工作面迎頭漏水問題，在距離頂板2 000 mm 的區(qū)域?qū)嵤┿@孔，孔間距為800 mm，鉆孔仰角均為0，水平角依次為-8°、0、8°。15402 巷道探放水鉆孔布置參數(shù)詳見表1。

表1 運(yùn)輸巷道探放水方案中鉆孔布置情況Table 1 The layout of boreholes in the scheme of water exploration and drainage in transportation roadway

依據(jù)15402 巷道探放水方案，為確保巷道掘進(jìn)安全，探放水鉆孔超前保護(hù)距離、巷道允許掘進(jìn)距離、幫距分別為40 m、30 m、16 m。

3 井下探放水施工及安全措施

（1）依照探放水方案，準(zhǔn)備施工前必須對鉆孔周邊巷道的頂板、圍巖情況進(jìn)行詳盡檢查。在工作面迎頭2 000 mm 的位置設(shè)立一排木樁，樁間距500 mm，確保木樁在頂板和底板之間支撐牢固。然后在木樁上設(shè)置擋板，以預(yù)防鉆孔施工作業(yè)中發(fā)生突水，對人員、設(shè)備造成傷害。在距離工作面迎頭40～50 m 的區(qū)域設(shè)置臨時水槽，并配置排水設(shè)施，結(jié)合施工情況將水槽內(nèi)的水排至采區(qū)水倉。

（2）鉆機(jī)安裝前必須對安裝區(qū)域進(jìn)行安全檢查。鉆機(jī)要求依照安裝規(guī)范進(jìn)行組裝，確保鉆機(jī)自身穩(wěn)定性。鉆機(jī)的停送電必須執(zhí)行票證制度，鉆孔作業(yè)前在孔口部位設(shè)置安全設(shè)施（如鉆桿逆止閥、孔口管等），以確保施工安全。鉆孔作業(yè)中出現(xiàn)異常，如水壓猛增、煤壁片幫、煤壁松軟等，立即中斷作業(yè)，但鉆桿不能取出，將異常問題解決后方可繼續(xù)作業(yè)。如水壓增大，可采用反壓鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，同時在鉆機(jī)中增設(shè)防噴裝置。

（3）探放水施工中，技術(shù)人員要立足現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，明確鉆孔的布局及技術(shù)要求。鉆孔作業(yè)前，依據(jù)水文地質(zhì)資料計算積水區(qū)的水壓大小，制定應(yīng)對措施。

（4）鉆孔作業(yè)中，詳細(xì)記錄必要的鉆孔數(shù)據(jù)（如煤層厚度、鉆孔深度等）。每鉆10 m 或鉆具更換時均要進(jìn)行一次測量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。設(shè)瓦斯監(jiān)測專職人員進(jìn)行瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測。若瓦斯?jié)舛燃眲≡黾?，立刻停止鉆孔作業(yè)，在場人員撤離至上風(fēng)口區(qū)域，并采取瓦斯治理措施，瓦斯?jié)舛冉档秃蠓娇衫^續(xù)鉆孔施工。鉆孔過程中已經(jīng)探到水，則立即對水壓、水質(zhì)、水量進(jìn)行監(jiān)測，并采取排水措施，避免對鉆孔作業(yè)帶來不便。鉆孔設(shè)計時必須綜合考慮巷道的排水能力。

（5）針對15402 巷道探放水施工作業(yè)制定針對性的應(yīng)急預(yù)案，對可能突發(fā)的事件進(jìn)行分析并制定相應(yīng)的應(yīng)急措施。

4 15402 巷道探放水效果分析

4.1 探放水總量統(tǒng)計

通過對探放水鉆孔過程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，探放水總水量時間變化曲線如圖2 所示。從圖2 可知，15402 巷道工作面經(jīng)過探放水鉆孔施工后，探放水總量12 萬m3。探放水初始階段，鉆孔數(shù)量較少并且鉆孔不通暢，因此排水量變化不明顯。隨著鉆孔數(shù)量的增加及鉆孔堵塞問題的消除，排水量呈現(xiàn)迅速增長的趨勢。經(jīng)過進(jìn)30 d 的排水，放水量趨于穩(wěn)定，該巷道頂板上部區(qū)域采空區(qū)積水基本排除完畢。

圖2 探放水總水量隨時間的變化曲線Fig.2 Variation curve of total water discharge with time in the process of water exploration and drainage

4.2 鉆孔水壓效果評價

以K6 探放水鉆孔為例，分析該鉆孔隨著時間推移的變化情況，如圖3 所示。由圖3 可知，K6探放水鉆孔初始階段水壓約1.6 MPa，經(jīng)過8 d 的放水，水壓降到1.36 MPa。之后的探放水期間出現(xiàn)一定的水壓波動，但總體呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 K6 探放水鉆孔水壓隨時間的變化情況Fig.3 Variation of water pressure of No.K6 water exploration and drainage borehole with time

監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)K6 鉆孔水壓峰值為1.65 MPa，后期分析導(dǎo)致該情況的發(fā)生原因主要有：測量誤差；鄰近鉆孔堵塞造成K6 鉆孔水壓局部升高；巷道頂板上部采空區(qū)積水水壓自身不穩(wěn)定等。

在26 d 后的多次水壓測量中，K6 鉆孔水壓基本位于1.36 MPa 左右，說明經(jīng)過一段時間的探放水，15402 巷道頂板采空區(qū)的水壓處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，為巷道掘進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

開元礦15402 巷道頂板存在采空區(qū)積水，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)頂板漏水現(xiàn)象，威脅巷道安全掘進(jìn)，影響施工進(jìn)度。針對這一問題進(jìn)行分析研究，決定對15402 巷道頂板上方采空區(qū)積水進(jìn)行探放。根據(jù)開元礦15402 巷道實際狀況，制定了探放水作業(yè)方案，并對施工作業(yè)中的注意事項進(jìn)行闡述。探放水方案實施后，根據(jù)放水量和探放水鉆孔水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，探放水作業(yè)達(dá)到預(yù)期的效果，探放水總量12 萬m3，巷道漏水現(xiàn)象顯著減少，為巷道安全掘進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。