風巷探放采空區積水鉆孔的設計、施工與效果

朱 立

（山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 忻州 036700）

據統計，采空區突水占到礦井水害事故的30%以上，且采空區突水具有強度大，時間短，破壞性強等特點[1-3]。 巷道掘進過程中根據采空區賦存情況采取針對性的探放水措施，對確保巷道掘進安全具有重要意義[4-6]。 潞寧礦煤田水文地質復雜，礦井開采時涌水量在152.4～453.2 m3/h，正常涌出量286.5 m3/h。制約礦井生產安全的水害主要為地面水、 覆巖裂隙水、底板承壓水，以及采空區積水等。 其中煤層底板奧灰水水頭標高為+890 m，礦井開采的2 號煤層底板突水系數在0～0.518 MPa/m， 礦井在生產過程中遵循“有掘必探、先掘后探、先治后采”方針，避免了水害對礦井生產影響。

1 工程概況

潞寧煤業礦井22122 風巷位于井田二二采區下部，其上部為22118 回采工作面采空區，層間距12 m， 22122 工作面開采的2#煤厚在3.5 m， 傾角2°～4°，采面底板最大突水系數在0.016 5 MPa/m，煤層與底板承壓水含水層間有效隔水層厚度在75 m，在無大型地質構造導水情況下， 巷道掘進及采面回采較為安全。 2#煤上覆灰巖（L1、L4及K2）裂隙水是巷道掘進過程中主要的涌水水源，正常情況下掘進工作面會有少許裂隙水淋出，對正常掘進影響較小。

22122 風巷上部為2#煤22118 工作面采空區。預計采空區內積水面積約為1.8 萬m2， 積水量在1.6 萬m3，積水標高在+856～+872 m，水頭壓力最大為0.16 MPa。 該采空區地質構造較為復雜，預計22118 工作面采空區內積水會對22122 風巷掘進帶來不利影響。 22122 風巷與22118 工作面采空區位置關系見圖1。

圖1 22122 風巷與22118 工作面采空區位置關系

2 風巷掘進探放水鉆孔設計

2.1 預計放水量確定

（1）鉆孔正常涌水量QB計算

鉆孔正常涌水量QB可通過式（1）計算[7]：

式中：n 為鉆孔出水系數；q 為單位放水流量， 通過式（2）計算[8]：

式中：q 為單位放水流量（m3/h）；C 為流量系數（取值0.6～0.7）；W 為探放水鉆孔面積（鉆孔孔徑取值為65 mm）；g 為重量加速度（9.9 m/s2）；H 為工作面采空區積水高度（采高的40%～50%， 即為3.5 m×50%=1.75 m）。

通過式（2）計算求得

q=0.348 m3/min=21.18 m3/h。

由于鉆孔排放過程中水頭壓力會逐漸降低、雜物堵塞鉆孔等影響，鉆孔出水系數n 取值為0.7，最終確定的排放水鉆孔單位放水流量QB=q×n=21.18×0.7=14.83 m3/h。

（2）排放水管路管徑及趟數

在22122 風巷內布置的排放水管路管徑可以采用式（3）計算[8]：

式中：VP表示排放管路經濟流速（取值1.5 ～2.2 m/s），通過計算求得：dP=49.15 mm。在22122 風巷內布置一趟4 寸管路即可滿足巷道采空區排放水需要。

2.2 探放水鉆孔布置設計

（1）探放水設備

在22122 風巷內探放水施工采用1 臺ZLJ-650型液壓回轉鉆機， 在巷道低洼位置布置臨時水泵房，采用兩臺22 kW 水泵（每臺排水量40 m3/h，揚程80 m）進行排水，一臺工作，一臺備用。 探放水鉆機鉆桿直徑為Φ42 mm， 配備Φ65 mm 金剛石鉆頭，開孔采用Φ153 mm 金剛石鉆頭。

（2）探放水鉆孔布置

預計臨近的22118 采空區水位標高在+856～+872 m，為了確保22122 風巷的掘進安全，臨近采空區內水頭壓力應控制在0.05 MPa 以內， 因此巷道的探放水一次探測距離超前迎頭30 m。

根據22118 底板標高及水文資料分析，決定在22122 風巷距離聯巷口8 m、169 m、566 m、751 m、1 008 m、1 410 m 六處對22118 采空區進行探測工作，具體鉆孔參數見表1。

表1 探放水鉆孔施工參數

（3）鉆孔施工方案

①鉆孔開孔

鉆孔首先用153 mm 金剛石鉆頭鉆進10.2 m后，下入Φ108 mm 套管10 m 作為孔口管，用封孔材料封閉套管外的環狀間隙。 孔口管外端安裝法蘭盤，閘閥孔口管的埋設要按設計的孔位和鉆孔傾角進行埋設。

②孔口管（套管）固管

將套管下入孔內規定的深度， 鉆桿下入孔底，將無機磷酸鹽高鋁高強泥漿材料注入套管外的環狀間隙，至孔口返出封孔材料。凝固后，必須進行耐壓試驗，預測最大放水水壓為0.03 MPa，打壓值要求為預計放水水壓的1.5 倍。 打壓值達到0.045 MPa，30分鐘后，套管周圍沒有漏水現象，說明符合要求，否則需重新加固。 待耐壓試驗完成后安裝止水閥，然后方可用Φ65 mm 鉆頭繼續鉆進至采空區。

根據探放水鉆孔設計，由地測科技術人員在工作面標定開口位置和方位角。 探放水隊負責現場施工，在平臺上擺設好鉆機，保證鉆機打設穩定可靠；調整鉆機，使鉆桿方位角和仰角與設計一致，并對準開口位置，用手動葫蘆、鋼絲繩環子固定鉆機，并用墊木和木楔將鉆機頂柱兩端等部位加固，確保穩固。

2.3 施工現場安全管理措施

（1）打鉆作業前必須提前在打鉆作業現場準備一定數量的與鉆孔孔徑相符的木楔子、 濕毛巾、棉布、黃土、黃沙、水泥等應急封堵鉆孔的、材料，打鉆過程中一旦發現有害氣體異常涌出，應及時封堵鉆孔，否則嚴禁進行打鉆作業。

（2）施工現場供水管路不得小于Φ108 mm，并確保流量≥0.8 m3/min、 水壓≥0.5 MPa， 三通、閥門、高壓軟管等附件齊全可靠。

（3）打鉆所需的電氣設備應布置于打鉆地點的上風側；必須布置于下風側時，打鉆前要進行嚴格的防爆檢查，杜絕電氣設備失爆。

（4）打鉆作業地點必須保證風量充足，風速不低于0.3 m/s。

（5） 作業地點附近20 m 范圍內必須安設專用電話，電話要隨作業點移動而移動，以便于發生異常時及時聯系。

（6）鉆孔完成后，排水鉆孔及時安設“U”型返水管進行放水，U 型高度不小于0.5 m，防止有害氣體大量涌出。

（7）放水完畢的鉆孔必須經過地測科驗收，確定鉆孔的留設與封堵，需要封堵的要拆除鉆孔內封孔管，并用水泥砂漿進行徹底全孔封堵。

3 鉆孔探放水成果分析

從2018年7月～2019年6月， 在22122 風巷內共施工6 個探放水鉆孔。 探放水鉆孔鉆探情況見表2。

表2 探放鉆孔參數

其中1、2、3、5 號鉆孔打通采空區后無水涌出；4 號鉆孔鉆進至采空區時有水涌出，涌水量約在40 m3/min，孔口的壓力表顯示水壓為0.065 MPa。 根據4 號探放水鉆孔水壓，可推測出采空區內水位標高在+875 m，截止到2019年2月，4 號探放水鉆孔共計排放水量在5 934 m3。 巷道掘進至最低點位置時，施工6 號鉆孔， 初期鉆進至采空區內時涌出量約為22 m3/min，最終單孔排放水量在3 026 m3。在22122 風巷，4 和6 號鉆孔共計排放22118 采空區水量為8 960 m3，根據2 號煤層底板等高線標高以及采空區內積水上限標高， 推斷出22118 采空區內積水面積共計5 563 m2。

4 結語

1）根據22122 風巷及臨近的22118 采面采空區的地質條件，在風巷掘進過程中布置6 個采空區探放水鉆孔進行疏排，其中2 個出水鉆孔共計疏排采空區內積水8 960 m3，通過疏排避免了巷道掘進過程中采空區突水可能，確保了巷道安全掘進。

2）采用理論分析方法確定了巷道排水管路，設計的排水管路可以確保采空區內疏排水工作正常進行。