團柏煤礦301掘進面超前探測設計與應用

郝 樂

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 臨汾 031400）

1 工作面概述

團柏煤礦301掘進工作面位于下組煤三采區(qū)左翼，西臨井田邊界保安煤柱，南、北為實體煤層，東為三采區(qū)軌道巷。地面標高+730～ +735 m，工作面標高為+410～ +420 m，蓋山厚度為422～430 m，巷道設計長度為695 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.4×2.5 m。

301掘進工作面水文條件相對復雜，工作面上覆巖層為K2灰?guī)r含水層，為石炭系裂隙水的主要含水層，距巷道頂板間距為5.0 m。由于K2石灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，充水源主要來自大氣降水及地表水。該含水層是掘進工作面直接充水的主要來源。根據(jù)301巷前期掘進施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，在巷道掘進至320 m處頂板出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，預計隨著巷道掘進延伸，頂板壓力加大，上覆巖層積水會沿著頂板薄弱地帶直接涌入巷道內(nèi)發(fā)生水害事故。

2 煤礦探放水施工主要存在的問題

（1）探放水設計不合理。由于對探放水施工重要性重視力度不夠，團柏煤礦巷道在掘進期間未嚴格進行探放水施工，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔深度及數(shù)量不足、鉆孔布置不合理等現(xiàn)象，探放水施工無法起到預期施工效果，威脅巷道掘進安全。

（2）鉆孔封孔效果差。由于團柏煤礦回采煤層為1#、2#石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，探水鉆孔在施工期間受擾動影響，孔口往里15 m范圍內(nèi)依次形成卸壓區(qū)及原巖應力區(qū)，在卸壓區(qū)內(nèi)鉆孔徑向煤體裂隙發(fā)育，而團柏煤礦傳統(tǒng)封孔長度為8.0 m，未完全處于原巖應力區(qū)，放水時水體在壓力作用下會沿孔口管以里煤體滲出，同時采用膨脹水泥進行封孔時無法對深部裂隙進行填堵，封孔效果差，經(jīng)常出現(xiàn)孔口管竄動、透水事故。

（3）安全措施不到位。團柏煤礦掘進巷道探放水施工期間，僅在工作面迎頭支設一排木柱對煤體進行維護，但是在實際探放水使用期間，由于煤體相對破碎，受鉆孔施工擾動及水壓影響，放水時工作面煤體出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象，致使頂板空頂面積大，導致放水期間經(jīng)常發(fā)生頂板垮落事故。

3 301工作面探水鉆孔布置設計

3.1 鉆探設備選擇

301工作面掘進期間超前探測時，采用型號為ZY-750D煤礦用全液壓鉆機進行鉆孔，具體參數(shù)如表1所示。

表1 ZY-750D煤礦用全液壓鉆機及配套設備主要技術參數(shù)

3.2 鉆孔布置方式

（1）鉆孔布置要求。301巷沿煤層底板平行掘進，工作面鉆孔呈扇形布置，為了防止施工巷道兩幫及前方存在水患，工作面布置兩排探放水孔，上排探放頂板積水，下排探放巷道四周積水。鉆孔水平深度為100 m，采用探測100 m，掘進30 m，循環(huán)往復進行，超前探測期間幫距為20 m。

（2）鉆孔布置參數(shù)。301掘進工作面共布置兩排（六個）探測鉆孔，其中1#孔為正中孔，2#、3#孔為幫孔，4#～6#為頂板探測孔，具體參數(shù)如表2所示。兩排鉆孔排距為0.5 m，間距為1.0 m，鉆孔呈扇形布置，如圖1所示。

表2 301工作面探測鉆孔參數(shù)表

圖1 團柏煤礦301工作面超前探測鉆孔平、剖面示意圖

4 封孔工藝

為了提高探水鉆孔封孔質(zhì)量，合理確定封孔長度，團柏煤礦水害防控工程技術中心決定采用實驗鉆孔煤屑量法確定封孔長度，并采用兩堵一注法進行封孔。

4.1 封孔長度確定

（1）鉆孔煤屑量法原理：由于卸壓區(qū)內(nèi)壓力大、煤體松散，鉆孔鉆進期間鉆孔內(nèi)煤屑量會加大，而在原巖應力區(qū)煤體應力處于平衡狀態(tài)，鉆孔鉆進時壓力小，產(chǎn)生的煤屑量相對較少；所以根據(jù)鉆孔產(chǎn)生煤屑量多少判斷應力區(qū)，從而確定鉆孔封孔長度。

（2）實驗鉆孔施工方法及封孔長度確定：在距工作面頂板1.5 m處均勻布置三個實驗鉆孔，鉆孔長度為25 m，直徑為75 mm，鉆孔仰角為5°；通過對三個實驗鉆孔現(xiàn)場鉆進觀察發(fā)現(xiàn)，在鉆孔0～6 m范圍內(nèi)鉆屑量注漿增加，在7～11 m范圍內(nèi)鉆屑量逐漸降低，在11～25 m范圍內(nèi)鉆屑量趨于穩(wěn)定，其中在6 m處鉆屑量達到最大值，由此可以確定在鉆孔0～11 m范圍內(nèi)為卸壓區(qū)，在12 m后為原巖應力區(qū)，所以最終確定301巷封孔長度為12 m。

4.2 “兩堵一注”法封孔工藝

（1）首先采用直徑為75 mm鉆頭進行開口，開口深度為12 m，開孔到位后采用直徑為130 mm鉆頭進行擴孔，擴孔后保證鉆孔直徑為130 mm。

（2）鉆孔擴孔后安裝兩根無縫封孔套管，每根套管長度為6.0 m，兩根套管采用絲扣式連接，孔口管安裝后在距孔底部1.0 m，以及孔口1.0 m安裝封口器（長度為0.5 m），并采用注漿泵向擴孔底部及孔口處注射膨脹水泥，長度為0.5 m，如圖2所示。

我國目前有高等學校2000余所，各高等學校讀者取用圖書館藏書及閱覽的現(xiàn)狀，主要有以下兩種傳統(tǒng)的方式——在館內(nèi)閱覽室閱讀和借閱(可以將圖書文獻帶出圖書館外閱讀)。紙質(zhì)圖書的主要流通方式是按照各自規(guī)定的管理辦法，借閱為主。

（3）膨脹水泥穩(wěn)固后繼續(xù)采用高壓注漿泵向鉆孔中部高壓注射聚氨酯漿液，注射壓力不得低于1.0 MPa，單孔注漿時間不得低于10 min。

（4）鉆孔封孔2 h后進行注水耐壓試驗，注水壓力不得低于2.0 MPa，單孔注水耐壓試驗時間不得低于20 min，耐壓試驗期間未發(fā)現(xiàn)煤體滲水以及孔口管竄動現(xiàn)象時判定為鉆孔封孔質(zhì)量合格。

圖2 301工作面探水鉆孔“兩堵一注”法封孔工藝示意圖（單位：mm）

5 安全技術措施

5.1 放水期間煤壁及頂板維護安全技術措施

為了防止鉆孔放水期間發(fā)生煤壁片幫，頂板垮落事故，團柏煤礦水害防控工程技術中心決定對鉆孔煤壁施工玻璃鋼帶及錨桿支護，對頂板施工撞楔超前玻璃錨桿支護。

（1）鉆孔施工完后在鉆孔周圍施工四根柔性玻璃鋼帶，鋼帶縱橫交錯且成“井”字型布置，橫向鋼帶長度為2.5 m，配套三根玻璃錨桿，錨桿間距為1.0 m；縱向鋼帶長度為1.5 m，配套兩根玻璃錨桿，錨桿間距為1.0 m；玻璃鋼帶寬度為0.15 m，玻璃錨桿長度為2.0 m，如圖3所示。

（2）在巷道頂板設計位置施工一排超前支護鉆孔，鉆孔深度為3.0 m，鉆孔垂直煤壁布置，鉆孔間距為0.5 m，共計施工8個鉆孔；鉆孔施工完后依次向鉆孔內(nèi)填裝錨固劑及加長玻璃鋼錨桿（長度為3.5 m），并采用手持式鉆機進行錨固。

（3）待煤壁及頂板加強支護施工完后，在煤壁前方0.5 m處支設一排密集木柱，并在巷幫處施工一個儲水池。

圖3 301工作面探放水期間煤壁及頂板聯(lián)合支護斷面圖（單位：mm）

5.2 探放水施工安全技術措施

（2）施工期間操作人員必須扶牢鉆機，控制好鉆機給進壓力及進尺速度，觀察泵壓力情況、鉆孔回水情況以及鉆桿鉆機情況，同時應對鉆機運行情況進行觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時停鉆處理。

（3）在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)鉆機卡鉆、鉆桿彎曲時，必須立即松開鉆機離合器并撤退鉆機，對鉆頭進行檢查，發(fā)現(xiàn)鉆頭存在崩片或刃口磨損嚴重時必須立即更換鉆頭。

（4）在探放水施工過程中預計可能發(fā)生有害氣體涌出時，必須安排專職的瓦斯檢查員現(xiàn)場跟班。日常鉆探時，跟班隊長要攜帶便攜式瓦檢儀。

（5）當煤層賦存情況發(fā)生變化時，在保證安全探測距離的條件下，應根據(jù)煤層賦存條件及異常情況，及時調(diào)整探放水鉆孔布置，務必保證掘進巷道范圍的全覆蓋。

（6）鉆孔施工到位后發(fā)現(xiàn)有水流出時，應進行放水實驗，放水過程中應對水壓、水量及水流速度進行記錄，并計算積水區(qū)積水量。

（7）為了防止水壓過大造成孔口管損壞，必須確保孔口管各組件密封完好，若放水過程中發(fā)現(xiàn)水流、水壓很大時必須采用兩套安全閘門進行控水。

（8）施工巷道探放水期間必須布置安全有效的避災路線，并在巷道周邊施工一個水倉以及配備相應的排水設備。

6 應用效果分析

（1）通過在工作面施工三個頂板探水孔、三個周邊及迎頭探水孔對巷道四周及頂板進行水害探測，消除了巷道掘進時受水害影響，避免了煤礦重大水害事故發(fā)生，保證了巷道安全快速掘進。

（2）301巷掘進期間共施工54個探水鉆孔，其中巷道掘進至320～610 m段工作面布置的9個頂板探水孔出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，單孔放水量達43 m3/h，共計放水量為2485 m3，主要為上覆巖層K2灰?guī)r含水層積水，其他45個探水孔為干孔，同時301巷在掘進期間未探測出工作面頂板及四周存在其他水害，如老空水、小窯水、斷層裂隙水等。

7 結語

霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦水害防控工程技術中心通過技術研究，對301巷掘進期間可能存在的水患進行分析，并采取了合理有效的超前探測設計及安全施工技術措施。實踐證明301巷采取超前探放水施工后，保證了巷道安全快速掘進，避免了巷道盲目掘進造成水害事故發(fā)生，取得了顯著成效。