巷道超前鉆探設計及安全技術分析

倫辛濤

（華北地質勘查局第四地質大隊，河北 秦皇島 066000）

綜合機械化開采的應用需要適應的礦井地質條件，在地質條件復雜的區域，需要在開采前做好地質勘查工作，若對地質情況不了解，會對礦井開采效率造成很大的影響。在前期資源勘查中，由于傳統地面鉆孔鉆探方式具有很大的局限性，使得井下物探結果具有多解性，這就需要在開采前實施超前鉆探工作，了解地質條件和地質環境，為礦產開采提供有利于參考數據。對此，在開采工程中，要加大對超前鉆探工序的重視程度，根據實際情況和工程特征，制定超前鉆探設計方案，優化鉆探方式和鉆探流程，做好鉆探中的安全技術措施，保證鉆探過程的安全性和穩定性，順利完成施工作業，發揮出超前鉆探技術的價值和作用。在這樣的環境背景下，探究巷道超前鉆探設計及安全技術分析具有非常重要的現實意義。

1 工程概況

某礦采掘巷道設計長度為916m，整體巷道形狀為矩形斷面，矩形斷面面積為4.0*3.5m。該巷道掘進后暴露出礦層，礦層厚度可達到7.02m，在前期掘進過程中，發現頂板出現淋水，工作人員利用電法進行工作面頂板探測，發現巷道掘進工作面前方掘進方位內存在頂板砂巖裂隙含水層富水區域，在巷道頂板上方4m 位置。由于該掘進區域的地質條件比較復雜，存在斷層和大褶皺構造發育，而此時巷道頂板薄弱地方有發現巖層富水區域，一旦盲目掘進，頂板上方覆巖層的積水會隨著巖層裂隙進入到巷道中，加劇頂板淋水，甚至會發生巷道涌水情況，影響施工安全和施工進度。對此，科學合理的巷道超前鉆探設計方案十分關鍵，還要配以安全技術措施，改變復雜地質條件和巷道富水區域的影響，實現巷道安全掘進，保證施工順利完成。

2 巷道超前鉆探設計

2.1 鉆探設備的選擇

根據巷道施工條件和地質條件特征，在巷道掘進過程中，選擇KHYD-425 型礦用專用鉆機，配以型號為φ42mm 的三翼鉆頭，在實際鉆探施工中，鉆桿直徑可達到60mm，設計方案中的鉆孔深度控制在72m 左右。設備參數如表1 所示。

2.2 探水起點設定

在巷道超前鉆探過程中，為了防止施工人員發生安全事故，在接近富水區域時，要將富水區域范圍、水量和水位標注在采掘工程圖紙上方，并在圖紙上注明積水線、探水線，明確警戒線具體范圍。

（1）標注積水線。在標注積水線時，按照小窯、老空下方最深區域進行劃定，在該巷道施工中，結合地質勘測數據，積水線標高標記是+1207m。

（2）標注探水線。在標注探水線時，按照巷道掘進中的富水區域位置、范圍進行劃定，深入了解富水區域的水文地質條件，掌握施工巷道環境和受壓破壞情況，綜合考量。若無法明確巷道掘進時的富水區邊界，可以根據具體的水文地質資料和圖紙，把探水線劃定在60m處。

（3）標注警戒線。在警戒線范圍標注時，要按照探水線位置來標注警戒線范圍，通常情況下，可以在巷道掘進中把探水線向外側移動100m 左右，形成探水線。但是結合該巷道的地質條件和薄弱區域富水情況，以探水線向外移動80m 設定警戒線。

2.3 鉆孔設計

（1）超前控制距離。在巷道超前控制距離設定中，計算公式為：，其中，a 代表超前距離；A 代表安全系數,取值為5 ；L 代表巷道寬度，取值為5.2m。代入已知數后，得到m。在實際掘進中，為了保證施工安全，需要增加保護距離，得到超前控制距離為：m。

（2）允許掘進距離。在巷道探水鉆孔順利完成施工后，工作人員要計算允許掘進距離，計算公式為：“最短鉆孔水平投影長度- 超前保護距離= 允許掘進長度”。由于該巷道地質條件為中等水平，巷道掘進范圍內存在很多斷層破碎帶，再加上巖層覆蓋的裂隙含水層，增加了巷道鉆探難度，綜合考慮下，得到最大探水線長度可設置為70m，在超前控制距離：m 的前提下，代入公式得到允許掘進距離為45m。如圖1 所示，為本巷道工程允許掘進范圍施工示意圖。

（3）計算幫距。在巷道超前鉆探中，要預留出安全礦柱的位置和寬度，而幫距就是工作面上扇形探水鉆孔外側鉆孔范圍中和巷道巷幫的垂直距離。一般情況下，幫距要比超前控制距離小1～2m，如圖1所示，本巷道工程幫鉆探施工中的幫距可設置成24m。

（4）鉆孔密度。在巷道超前鉆探過程中，豎直扇形范圍內鉆孔終孔垂距要在1.5m 以內，而水平扇形范圍內鉆孔終孔水平距離要在3m 以內。

表1 KHYD-425 型礦用專用鉆機參數標準

圖1 本巷道工程允許掘進范圍施工示意圖

（5）鉆孔布置。在巷道超前鉆探過程中，以探測巷道上方斷層破碎帶積水和巖層覆蓋的裂隙含水層裂隙水為主，將探水鉆孔布設為半扇形結構，共布設四個鉆孔，分別為1#、2#、3#、4#，如圖1 所示，使其形成一個半扇形結構，覆蓋在整個巷道掘進范圍內。鉆孔4#、2#、3# 依次排列，處于同一水平面上，鉆孔4# 和鉆孔2# 的間距為1000mm，鉆孔2# 與鉆孔3# 的間距為1000mm，距離底板2000 的位置，按照工作面傾斜角8°進行布設。1# 鉆孔設置距離底板1500mm 的位置，垂直于工作面，且距離工作面2000mm。

2.4 鉆孔施工

在鉆孔施工中，距離底板1m 的位置設置兩根錨桿，將錨桿間距控制為0.4m 左右，并通過鐵絲固定好錨桿上方的鉆機跑道前端位置，通過金屬支架支撐鉆機跑道后方，根據實際情況適當調整鉆機方向，準確無誤后就可固定連接。在鉆進之前，施工人員可以在鉆機傳動機構涂抹一層潤滑劑，并對鉆機進行正反雙向實驗，檢查鉆機的運行狀態，適當調整鉆機鉆頭位置，保證鉆機達到最佳的鉆進狀態。在實際鉆探時，受到巷道環境影響，鉆頭很容易發生反水情況，作業人員可以緩慢連接離合器來開孔，待鉆頭深入到開采層后，立即收緊離合器進行鉆進，四個鉆孔達到預計深度后就可以停止鉆進。

3 巷道超前鉆探施工安全技術措施

3.1 掘進支護措施

在巷道超前鉆探施工過程中，為了避免涌水或是突水的情況，保證施工人員的人身安全，要在工作面上方設置兩排木柱，并在木柱上方用螺栓釘固定擋板，可以有效抵擋突水、涌水事故對巷道設備和施工人員的沖擊。除此之外，施工人員要在安裝區域的頂板位置設置支護設備，保證施工作業的順利開展。

3.2 做好排水措施

（1）設置排水管路。巷道排水管道布設中，選擇4 寸、6 寸的無縫鋼管，分別設置在巷道以北與底板距離1300mm 的位置，每隔50m 的位置設置一個支管閥門，每隔100m 的位置設置一個閘閥，隨著巷道掘進施工的開展，要保證排水設施的同步連接固結。同時，在掘進工作面范圍內設置兩臺排水泵，配合排水管路作業，隨著掘進工作面的拓展而跟進，一旦出現工作面涌水的情況，需要啟動排水泵排出工作面的積水，特別是在突然涌水的情況下，可以兩個排水泵同時啟動，及時排除掘進工作面的積水。

（2）排水系統建設。巷道超前鉆探中，可以利用巷道排水管排出工作面的積水，分別在三采區膠帶巷內段與外段排水管進行共同布設，排水方向為“工作面——巷道內部——三采區膠帶巷內段——三采區膠帶巷外段——水倉”，在工作面低洼位置，設置臨時水坑，設置排水泵排出集水坑中的積水。

3.3 制定專項施工安全方案

在巷道超前鉆探前，要制定專項施工方案和施工安全措施，明確探水位置和鉆孔參數，包括鉆孔數量、鉆孔深度、鉆孔角度、具體位置等參數，根據巷道鉆進情況和水文環境，制定施工安全措施，為施工人員和施工設備提供安全保障。

第一，在鉆孔施工前，要安排專業技術人員到施工現場進行指導掘進過程，嚴格根據設計方案進行現場施工，保證施工質量。同時，為了避免放水過程中產生巨大的水壓，造成安全事故，在探水鉆孔過程中，作業人員可以在孔口位置設置孔口管和控制閘閥，防止突水或是涌水的情況，保證施工安全。

第二，鉆孔施工過程中，若出現鉆孔成型不良或是頂鉆的情況，需要停止鉆機的鉆進，立即將情況上報給調度中心實施有效措施，一旦鉆進過程中，水壓超過可允許限值，可以在出水口位置安裝防噴裝置，通過這種反壓措施達到穩定鉆進的目的。

第三，在鉆孔過程中要實施觀測巖層變化情況，記錄鉆進后的巖層厚度，每鉆進10m 就要檢測一次鉆孔深度，計算鉆孔終孔距離位置和富水區距離，便于施工決策。同時，為了防止巷道鉆進過程中出現一氧化碳等有害氣體的泄露，可以在掘進工作面安裝監測裝置，定期對鉆孔附近區域進行有害氣體監測，一旦發現有害氣體含量超出標準范圍內，要立即組織作業人員撤離施工區域，加大通風設置的安裝，及時排除有害氣體，保證施工進度，避免不必要的人員傷亡。

第四，在鉆進過程中，作業人員要詳細記錄水壓、放水量和放水時間等，得到富水區剩余水量，在鉆孔施工結束后，要及時封堵放水口，通過水泥漿封堵在鉆孔中，封堵長度超過1m，在封堵完成后還要開展注壓試驗，提高封堵的牢固性和可靠性。同時，在鉆進之前，項目負責人要組織施工人員進行安全知識的學習，發放安全資料，使得施工人員樹立正確的安全意識，按照施工規范進行操作，熟悉和了解避災路線和應急救援方案，一旦發生安全事故，可以及時做出自救逃生措施，保證施工人員的人身安全。

4 結語

綜上所述，在巷道超前鉆探施工中，要做好前期地質勘查工作，及時了解巷道地質環境和水文環境，明確巷道超前鉆探施工的難點和重點，以此為依據，編制巷道超前鉆探施工設計方案，選擇合理的鉆探設備，明確探水點，優化鉆孔設計方案和施工工藝，并做好安全技術措施，保證巷道掘進工程的順利開展。