掘進巷道超前鉆探設計優化應用

范 進

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同037001）

0 引言

探放水施工是煤礦井下采掘工作面避免水害事故、解決水害隱患的重要技術手段，探放水施工具有施工工藝簡單、探放水效率高等優點，探放水施工安全高效開展是采掘工作面合理布置、安全生產的重要保障；但是在實際煤礦井下探放水施工過程中，受施工作業環境、探放水施工設計等影響，探放水施工達不到預期效果，不僅降低了探放水施工效率，增加了勞動作業強度，而且無法消除作業附近水害硬化，很容易發生采掘工作面透水、涌水等事故；本文以馬脊梁礦2117巷為例，對巷道掘進前期探放水施工主要存在的問題進行分析，并進行合理優化設計，確保巷道后期掘進安全。

1 概述

晉能控股煤業集團馬脊梁礦2113巷位于井田一盤區，該工作面北東、南東為盤區皮帶巷、盤區輔助運輸大巷、盤區回風巷及實煤區，北西為8111工作面采空區、南西為實煤區。

2113巷設計長度為2 188 m，巷道從一盤區輔運大巷開口施工，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為C3號（石炭系煤層），平均厚度為6.86m，平均傾角為2°，結構復雜、含1～4層夾矸，平均2層，以泥巖為主，巷道采用綜合機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進570 m。

根據馬脊梁礦地質探測發現，2113巷對應上覆為小窯破壞區、采空區，巷道往里280～1 424.7 m為雁崖礦14-3號層81618工作面、14-3號層81616工作面采空區，1 463～2 191 m為四老溝礦14-3號層8313工作面及14-3號層8313-1工作面采空區。但由于受采動影響導致地面產生裂縫，在雨季時大氣降水沿地面裂縫下滲至2113巷上覆采空區預計積水量為35 757 m3，巷道前期掘進至320～355 m處頂板出現淋水現象，最大淋水量達5.7 m3/h，對巷道掘進影響較大。

2 掘進前期探放水設計及問題分析

2.1 前期巷道探放水設計

1）鉆孔布置：前期巷道每掘進50 m在工作面迎頭不止一個探水鉆場，鉆場煤壁共計布置一排探水鉆孔，共計3個，鉆孔布置在掘頂板1.5 m處，鉆孔布置間距為1.8 m，鉆孔深度為80 m，鉆孔仰角23°。

2）封孔工藝：巷道掘進前期探水鉆孔封孔長度為9.0 m,孔口管與鉆孔壁采用膨脹水泥進行封堵，封堵長度為1.2 m。

3）安全技術措施：為了保證鉆場探放水施工安全，巷道掘進前期在鉆場附近支設兩排木柱，每排4根，木柱支設間距×排距=1.3 m×1.5 m，第一排支設在距煤壁0.5 m處。

2.2 問題分析

1）巷道掘進效率低：2113巷采用綜掘機進行掘進，平均每天掘進工程量為12 m，掘進前期探水鉆場間距為50 m，巷道每掘進4 d需進行一次探放水施工，探水施工周期為1 d，每月因探水施工影響施工工期為7.5 d，影響掘進工程量達90 d，嚴重制約了巷道掘進效率。

2）探水鉆孔布置不合理：2113巷頂板與上覆采空區垂直距離在28～37 m范圍，而前期探放水施工時，鉆孔深度為80 m，鉆孔仰角為23°，鉆孔終孔位置位于頂板往上31 m處，終孔位置未完全延伸至上覆采空區積水最大標高位置，無法完全消除上覆采空區積水隱患。

3）封孔質量不合格：2113巷掘進煤層屬于石炭系煤層，煤層穩定性差，擴張破壞嚴重，煤體內裂隙發育，掘進前期探水鉆孔封孔深度為9 m，封孔段位于煤體內，未完全深入堅硬巖層內，導致在放水時水流沿煤體裂隙滲透，加大了煤體裂隙擴張破壞力度，煤體破壞嚴重；同時原探水鉆孔采用膨脹水泥進行封堵，封結效果差，放水期間受水壓擾動影響，孔口管出現竄動現象。

4）安全措施不到位：巷道掘進前期探放水施工過程中鉆場主要采用支設木柱的方式進行頂板加固，但是由于2113巷掘進煤層高度裂隙發育，煤體在水壓沖擊作用下，極易破碎出現煤壁片幫現象，不僅影響了鉆孔封孔效果，而且增加了頂板空頂區，甚至發生大面積頂板垮落事故。

3 探放水設計

3.1 探放水設備參數

3.1.1 鉆探設備參數

2113巷探水鉆孔采用ZY-750D型液壓鉆機、中空圓鋼鉆孔以及一翼合金鉆頭進行施工，鉆機具體參數見表1。

表1 ZY-750D型液壓鉆機及配套設備技術參數

3.1.2 封孔及注漿材料

1）封孔材料：PVC封孔管，每根管長3 m，直徑為108 mm，共計4根以及若干根絲扣連接套；環形封孔2個，封孔有效長度為0.45 m，封孔壓力為8 MPa。

2）注漿材料：注漿泵采用2ZBQ-6/45馬麗散雙液注漿泵，注漿壓力為0～6 MPa，排量為0～45 L/min；注漿材料采用馬麗散與催化劑混合化學粘合劑，混合比為1∶1。

3.2 鉆場及鉆孔優化布置

3.2.1 鉆場優化布置

為了保證巷道快速掘進，降低鉆孔施工對巷道掘進影響，優化后決定采用“邁步交錯式”鉆場進行鉆孔施工。

1）鉆場布置在巷道兩側，采用掘進機一次性施工到位，鉆場規格為長×深×高=5 m×4.5 m×3.5 m，相鄰2個鉆場兩翼交錯邁步式布置，鉆場水平間距為100 m。

2）鉆場頂板及巷幫支護與原巷道支護設計相同，工作面側巷幫不進行錨桿支護，為了提高鉆場頂板穩定性，在鉆場頂板施工4組組合錨索。

3.2.2 鉆孔布置優化

1）為保證探水鉆孔能夠完全覆蓋上覆采空區積水，優化后每個鉆場內共計布置2排探水鉆孔，每排3個共計6個鉆孔（1-6號），其中1-3號鉆孔為頂板鉆孔，4-6號為水平鉆孔，鉆孔具體技術參數見表2。

表2 優化后2113巷探水鉆孔布置參數

2）所有鉆孔深度為100 m，相鄰2排鉆孔排距為0.5 m，相鄰鉆孔間距為1.0 m，鉆孔超前距為30 m，允許掘進為70 m，鉆孔對巷道兩側邊緣控制距離為20 m，如圖1所示。

圖1 2113巷探水鉆孔平剖面布置示意圖

3.3 鉆孔封孔工藝優化

為了保證探放水施工安全，對原探水鉆孔封孔工藝進行優化，決定采用“兩堵一注”封孔工藝。

1）鉆孔封孔長度確定：由于鉆孔仰角為23°，頂板仰斜鉆孔在煤體內長度為9.7 m，而C3號層直接頂為炭質泥巖，為隔水層巖體，所以鉆孔封孔終端位于隔水層巖體內0.5～1.0 m即可，所以確定鉆孔封孔長度為11.5 m。

2）擴孔施工：鉆孔封孔深度確定后首先施工導向鉆孔，導線鉆孔直徑為75 mm，導向鉆孔施工深度達12 m后停止鉆進，然后更換擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔長度為11.5 m，擴孔后孔徑為130 mm。

3）封孔施工：①鉆孔擴孔完成后，對鉆孔內安裝孔口管共計4根，相鄰2根孔口管采用絲扣連接套連接；②孔口管安裝后在距孔底0.3 m，距孔口0.5 m處分別安裝1個環形封口器，同時在孔口管與孔壁之間安裝1根直徑16 mm注漿軟管；③注漿軟管與2ZBQ-6/45馬麗散雙液注漿泵連接進行注漿施工，注漿壓力1.5 MPa，注漿完成后拔出注漿軟管并采用膨脹水泥對孔口至封孔器段進行封堵，見圖2。

圖2 “兩堵一注”封孔工藝剖面示意圖

3.3 鉆場煤壁支護措施

為了提高鉆場煤壁及穩定性，防止放水期間煤壁、頂板出現垮落現象，發生透水事故，決定對鉆場煤壁及頂板采取“超前鋼針支護+玻璃鋼錨桿（帶）”聯合支護。

1）在探放水施工前在鉆場煤壁設計頂板位置施工一排超前支護孔，孔間距為0.5 m，所有支護孔垂直布置，孔深度為3.0 m，直徑為30 mm；支護孔施工完后，對鉆孔內錨注一排鋼針，鋼針長度為3.5 m，直徑為26 mm，如圖3所示。

圖3 2113巷探水鉆場煤壁及頂板支護平面示意圖

2）在鉆孔四周分別采用柔性玻璃鋼帶進行維護，玻璃鋼帶成“井”字型布置，其中橫排鋼帶長度為2.5 m，每根鋼帶采用3更長度為2.0 m玻璃鋼錨桿固定；縱向鋼帶長度為1.5 m，采用2根玻璃鋼錨桿進行固定。

3）為進一步鉆場頂板穩定性，在距鉆場煤壁1.0 m處支設一排單體柱，共計5根，柱間距為1.0 m。

4 結論

截止2019年12月2113巷已掘進到，巷道在后期掘進過程中共計施工14個邁步式鉆場，共計84個探水鉆孔；通過對前期探放水設計進行合理優化后，有效降低了探水施工對巷道掘進影響，巷道掘進速率提高至8.7 m/d，探放水設計優化后，巷道在后期掘進過程中共計探放上覆采空區積水35 144 m3，在放水期間未出現鉆場頂板及煤壁破碎線下；同時探放水施工后巷道掘進過程中未出現頂板淋水現象，消除了上覆采空區積水對巷道掘進影響，保證了巷道快速掘進。