掘進(jìn)工作面頂板富水區(qū)超前疏放治理技術(shù)

段志鴻

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西呂梁 033102）

0 引言

煤層頂板富水條件下，巷道掘進(jìn)期間頂板涌水量大，影響巷道安全掘進(jìn)，且普通錨固劑遇水難以有效膨脹，降低頂幫錨桿張拉強(qiáng)度，導(dǎo)致巷道存在離層冒頂風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。基于此，以呂梁山煤電有限公司3-3032 巷為工程基礎(chǔ)，提出在巷道掘進(jìn)開口段施工定向鉆孔，對(duì)富水異常區(qū)域提前疏放，利用注漿技術(shù)封堵導(dǎo)水通道，實(shí)現(xiàn)頂板水有效治理。

1 工作面概況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司核定產(chǎn)能260 萬t/a，井田開拓設(shè)計(jì)為2 個(gè)水平，其中一水平標(biāo)高+900 m，開采2、3、5 號(hào)煤，二水平標(biāo)高+830 m，主采8、9、10 號(hào)煤層。3-303 工作面位于一水平三采區(qū)以西，運(yùn)輸順槽為3-3032 巷，長(zhǎng)度1411 m，回風(fēng)順槽為3-3031 巷，長(zhǎng)度1311 m，切眼長(zhǎng)219 m，工作面布置如圖1 所示。工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，根據(jù)三維地震勘探未發(fā)現(xiàn)明顯大型斷裂構(gòu)造和斷層、陷落柱等，但在掘進(jìn)過程中可能存在隱伏小構(gòu)造，工作面主采3 號(hào)煤層，煤層厚度0.75 ～1.2 m，平均1.05 m，賦存傾角1°～5°，平均3°，整體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

圖1 3- 303 工作面采掘巷道布置Fig.1 Mining and excavating roadway layout of No.3-303 Face

表1 3 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性描述Table 1 Lithology description of No.3 coal seam roof and floor

3-303 工作面水文地質(zhì)條件中等，在掘進(jìn)期間不受周邊小窯水、采空區(qū)積水和地表水的滲透威脅，主要充水水源來自于頂板的砂巖含水層，富水分布不均勻，經(jīng)過瞬變電磁物探探測(cè)結(jié)果顯示頂板局部富水，為弱富水性。但在掘進(jìn)施工期間錨桿、錨索孔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)滴涌水，影響錨固強(qiáng)度效果，3號(hào)煤層的頂板最大導(dǎo)水裂隙帶高度為48.2 m，在孔內(nèi)積水長(zhǎng)期疏放后，原水壓支護(hù)作用消失，頂板膠結(jié)層會(huì)出現(xiàn)緩慢下沉，造成一定量的頂板下沉變形，若支護(hù)強(qiáng)度不到位，可能潛在局部冒頂安全風(fēng)險(xiǎn)。3 號(hào)煤層頂板含水層具有以下水文特征。

（1） 煤層頂板主要為二疊系山西組砂巖裂隙含水層，以細(xì)粒、中粒和粗砂巖為主，平均總厚度為22.97 m，單位涌水量約0.00014 ～0.047 L/s·m，滲透系數(shù)為0.1591 ～0.2042 m/d，水位標(biāo)高+1058.40—+1066.34 m。含水層富水性弱，水質(zhì)結(jié)構(gòu)為HCO3·SO4-Ca·Mg 型，礦化度達(dá)到0.7378 g/L，掘進(jìn)期間頂板以滴淋水為主，消耗靜壓水，但在疏放一定量后，頂板產(chǎn)生新的裂隙，上層含水層會(huì)向下層進(jìn)行水源補(bǔ)給，造成疏放水量增大，經(jīng)過一段時(shí)間后重新趨于穩(wěn)定，直到多層水源疏放徹底。

（2） 工作面底板含水層為石灰系太原組巖溶裂隙含水層，主要由L1、L4、L5 等3 層灰?guī)r及中砂巖構(gòu)成，灰?guī)r厚度為5.43、5.89、4.49 m，平均總厚度為15.81 m，單位涌水量在0.009 ～0.078 L/s·m，滲透系數(shù)0.054 ～0.2713 m/d，水位標(biāo)高在+856—+872 m，該含水層富水性弱，不具有承壓性，且底板隔水層巖石分布致密，隔水性較強(qiáng)，因此，對(duì)巷道掘進(jìn)影響較小。

2 超前疏放防治水方案設(shè)計(jì)

2.1 富水區(qū)物探成果分析

根據(jù)礦井建井時(shí)期的水文地質(zhì)勘探資料與3-303 工作面瞬變電磁物探資料分析，該工作面主要存在3 個(gè)低阻異常區(qū)域，集中在3-3031 巷開口向里約407 ～465 m，3-3032 巷開口向里約432 ～489 m，以及工作面中部靠近3-3032 巷附近，距離停采線約284 ～323 m，經(jīng)過含水層標(biāo)高測(cè)算，預(yù)計(jì)富水區(qū)域位于3 號(hào)煤層頂板以上9 ～12 m 層位區(qū)間，富水強(qiáng)度為中等偏弱。物探低阻異常區(qū)域劃分如圖2 所示。

圖2 物探低阻異常區(qū)域劃分Fig.2 Division of geophysical exploration low-resistance abnormal area

2.2 定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)過物探資料對(duì)富水異常區(qū)域的劃分分析，初步明確異常區(qū)域大概位置，由于煤層賦存傾角平均3°，為近水平煤層，因此，選用一般鉆機(jī)無法有效施工至預(yù)定區(qū)域，而且鉆孔傾角不好控制。經(jīng)過綜合評(píng)判，選定型號(hào)為ZDY6000LD 的全坑道液壓鉆機(jī)，峰值扭矩可達(dá)6000 N·m，適用于鉆孔傾角-10°～20°的開孔區(qū)間；配備3NB-320/8-30 型泥漿泵，可提供抽液能力118 ～320 L/min，注漿泵壓可達(dá)到 8 MPa； 為準(zhǔn)確施工定向， 選用YHD1-1000T（A） 型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，可跟蹤鉆孔施工軌跡，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)姿態(tài)，確保鉆至設(shè)計(jì)層位區(qū)域，誤差值控制在±0.5 ～±1 m。

在3-3031 巷開口約330 m 處開孔施工疏放孔，編號(hào)為SF1 孔，為確保施工安全，距異常區(qū)域外段預(yù)留70 m 安全距離；在3-3032 巷開口向里約350 m 處及附近，分別施工SF2 孔和SF3 孔?？紤]到煤層賦存呈北高南低的特征，以及含水層存在流動(dòng)性補(bǔ)給和裂隙相互導(dǎo)通的可能，在施工順序上設(shè)計(jì)先對(duì)SF2 孔和SF3 孔開孔鉆進(jìn)，最后將SF1 孔作為疏放水效果評(píng)價(jià)的驗(yàn)證孔，所有疏放水鉆孔設(shè)計(jì)終孔層位為煤層頂板以上12 ～15 m。鉆孔參數(shù)見表2。

表2 疏放水鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of drainage drilling hole

2.3 鉆孔放水效果分析

通過對(duì)3 個(gè)疏放水鉆孔打鉆過程各項(xiàng)參數(shù)及涌水量情況的詳細(xì)記錄，可以反向驗(yàn)證物探結(jié)果的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。在SF2 孔施工至59 m 處時(shí)，孔內(nèi)首次出現(xiàn)涌水，涌水量為3.7 m3/h，經(jīng)過鉆孔投影平距測(cè)算，繪制在鉆孔設(shè)計(jì)圖上后，分析發(fā)現(xiàn)見水位置與低阻異常區(qū)域提前19 m，隨著鉆孔不斷深入，涌水量隨之增大，最大時(shí)達(dá)到71.6 m3/h，隨后放水速度與水量趨緩，最大水壓達(dá)到1.6 MPa。然后施工SF3 孔至84 m 處時(shí)孔內(nèi)出水，水量達(dá)到11.5 m3/h，見水位置與異常區(qū)域劃分邊界基本一致，當(dāng)繼續(xù)鉆進(jìn)至106 m 時(shí)，孔內(nèi)涌水增大，水量為39.4 m3/h，而且SF2 孔在正常放水情況下水量突然明顯減小，說明2 個(gè)異常區(qū)域通過導(dǎo)水裂隙存在一定的補(bǔ)給關(guān)系，涌水從更低位置的SF3 孔通道實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)排泄，最大孔內(nèi)水壓為1.1 MPa。最后施工SF1孔時(shí)在81 m 處開始見水，初始水量為14.7 m3/h，最大水量為39.1 m3/h，疏放水期間未發(fā)現(xiàn)SF2 孔和SF3 孔有明顯變化，SF1 孔也未見水量異常增加現(xiàn)象，說明該區(qū)域相對(duì)封閉，未形成與其他含水層的有效聯(lián)系，未得到涌水補(bǔ)給。鉆孔施工期間孔內(nèi)涌水量變化衰減曲線如圖3 所示。

圖3 鉆孔施工期間孔內(nèi)涌水量變化曲線Fig.3 The variation curve of water inflow in drilling hole during drilling construction

2.4 注漿封孔與注漿錨桿設(shè)計(jì)

當(dāng)所有疏放水鉆孔的正常涌水量小于5 m3/h后，且持續(xù)穩(wěn)定7 d 以上，說明異常區(qū)含水層基本疏放完畢，正常補(bǔ)給水量對(duì)巷道掘進(jìn)不構(gòu)成突水威脅，此時(shí)采用高標(biāo)號(hào)P.042.5R 水泥制成混合比重為1∶2.5 的水泥漿液對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔，終孔注漿壓力設(shè)定為3 MPa。注漿后既可以對(duì)原有裂隙進(jìn)行充填加固，封堵導(dǎo)水通道，也可以減少因放水后膠結(jié)層失去支撐作用而緩慢下沉造成空頂冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

在掘進(jìn)過程中，為對(duì)頂板支護(hù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)，采取對(duì)圍巖施工注漿錨桿和螺紋鋼錨索搭配使用的措施，按照頂幫間排距為800 mm×1600 mm 施工螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格為D22 mm×2400 mm，每排打設(shè)13 根，進(jìn)行全段錨固；注漿錨桿采用中空形式便于注漿，規(guī)格為D24 mm×3000 mm，打設(shè)間排距1000 mm×1600 mm，與普通螺紋鋼錨桿插花交替施工。頂板支護(hù)施工斷面如圖4 所示。

圖4 頂幫支護(hù)施工斷面Fig.4 Section of roof support construction

3 疏放水效果評(píng)價(jià)

（1） 經(jīng)過定向鉆孔施工對(duì)頂板含水層低阻異常區(qū)域進(jìn)行超前疏放水，當(dāng)放水量持續(xù)穩(wěn)定在5 m3/h 后進(jìn)行注漿封堵，封閉導(dǎo)水裂隙與補(bǔ)給通道，在巷道掘進(jìn)期間未再出現(xiàn)錨桿、錨索孔內(nèi)的滴淋水現(xiàn)象；當(dāng)工作面貫通形成后，在回采前再次進(jìn)行全域頂?shù)装逅沧冸姶盼锾皆u(píng)價(jià)，未發(fā)現(xiàn)頂板存在低阻異常區(qū)域，掘進(jìn)前已疏放注漿治理的區(qū)域也呈現(xiàn)出高阻值，說明治理效果良好。

（2） 疏放水鉆孔注漿封堵裂隙后，通過注漿錨桿和螺紋鋼錨桿配合使用，對(duì)頂板支護(hù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)，在掘進(jìn)期間每月對(duì)巷道頂幫移近量進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)治理后的頂板最大移近量?jī)H有164 mm，未出現(xiàn)明顯的離層空頂現(xiàn)象，也未發(fā)生頂板因淋水浸泡導(dǎo)致的冒頂事故。

4 結(jié)論

（1） 通過對(duì)3-303 工作面內(nèi)水文資料與物探成果的分析，劃定頂板含水層低阻異常區(qū)域，從而有針對(duì)性制定疏放水鉆孔的施工參數(shù)，確保放水效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

（2） 經(jīng)過頂板疏放水治理，以及注漿錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，在掘進(jìn)期間有效控制頂板下沉速度，控制頂板移近量小于164 mm，符合巷道工程質(zhì)量控制要求，未發(fā)生頂板事故。

（3） 通過采取綜合疏放水治理措施，實(shí)現(xiàn)含水層富水區(qū)的超前疏放，掘進(jìn)期間確保綜掘效率達(dá)到15.6 m/d，全月累計(jì)進(jìn)尺實(shí)現(xiàn)468 m，完成高產(chǎn)高效目標(biāo)，為采掘接替平衡奠定了安全基礎(chǔ)。