小煤柱沿空掘巷探放同層老空水鉆孔設計

馬賽

（晉能控股煤業集團 浙能麻家梁煤業有限公司，山西 朔州 036000）

0 引 言

小煤柱沿空掘巷作為無煤柱護巷方式的一種，有眾多技術優勢[1]。一方面，沿空巷道處于相鄰采空區側向支承壓力的降低區內，巷道圍巖應力小，圍巖控制相對容易，也是沖擊地壓礦井區段巷道布置的首選；另一方面，沿空巷道區段煤柱小，工作面可采儲量增加，提高資源回收率，延長礦井服務年限。但小煤柱沿空掘巷也存在安全隱患，同層相鄰采空區老空水就是其中之一，沿空巷道與相鄰采空區間的小煤柱寬度一般為3 ~ 6 m，且小煤柱內裂隙形成導水通道，小煤柱寬度不能滿足《煤礦防治水細則》中的防隔水要求，須探放老空水[2-4]。

2021 年，全國煤礦共發生水害死亡事故4 起、死亡48 人，分別占全國煤礦事故起數和死亡人數的4.4%和27.0%，防治水形勢依然嚴峻。麻家梁礦14203-1 膠帶運輸順槽作為礦井第一個小煤柱沿空巷道，探放同層老空水經驗缺乏，其鉆孔設計又與探放上覆煤層采空區積水不同，為了確保其掘進安全，本文以14203-1 膠帶運輸順槽探放老空水鉆孔設計為對象進行研究分析。

1 工程概況

麻家梁煤礦14203-1 綜放工作面位于井田二采區的東部，為孤島工作面。工作面北部為二采區4條盤區大巷，西部為14204 工作面采空區，南部為實體煤，東部為14202 工作面采空區。工作面采用綜采放頂煤工藝進行回采，一進一回兩巷布置，14203-1 膠帶運輸順槽和14203-1 輔助運輸順槽均沿煤層底板掘進，工作面輔助運輸方式為無軌膠輪車運輸，順槽掘進期間每隔300 m 施工調車硐室，14203-1 工作面布置如圖1 所示。

圖1 14203- 1 工作面布置示意Fig.1 No.14203-1 face layout

14203-1 膠帶運輸順槽為小煤柱沿空掘巷試驗巷道，小煤柱寬度為7 m，順槽設計長度2 870 m，斷面為矩形，規格為5 500 mm×3 800 mm，支護方式為錨網索支護。14203-1 膠帶運輸順槽沿14204 工作面采空區邊緣掘進期間，7 m 煤柱內存在14204 工作面的調車硐室，入深6 m，此時煤柱寬度僅為1 m，調車硐室布置示意如圖2 所示。

圖2 調車硐室布置示意Fig.2 Shunting chamber layout

2 沿空巷道水患分析

14203-1 膠帶運輸順槽掘巷前，首先對工作面周邊進行積水情況調查工作，調查內容包括頂底板水和老空水的位置、層位、范圍、形成時間、積水情況、補給水源等，分析空間位置關系以及對小煤柱沿空掘巷的影響。

根據《麻家礦煤礦礦井水文地質類型劃分報告》及臨近14204 工作面掘進期間水文地質情況分析，14203-1 膠帶運輸順槽掘進期間充水來源主要有4 種。

（1） 地表水。根據朔州市氣象資料顯示，井田內年水位變化過程可分為水位回升期、水位相對穩定期和水位下降期3 個階段，降水主要集中在6~8 月份，平均量為461.8 mm，是地下水的主要補給來源。礦井煤層埋藏深平均600 m，根據經驗計算公式得出4 號煤層回采后導水裂隙帶高度約200 m，不會發育到地表，地表水對煤層回采無影響，也不會對14203-1 膠帶運輸順槽掘進造成威脅。

（2） 頂板砂巖裂隙含水層（P1s）。根據井檢孔抽水試驗，山西組含水層水位標高1 064.81 m，涌水量2.633 L/s，單位涌水量0.018 1 L/s·m，滲透系數0.218 646 m/d，為弱含水層，主要以靜儲量為主，是4 號煤層的直接充水水源。14203-1 膠帶運輸順槽相鄰14204 工作面已回采完畢，對砂巖含水層已經有一定程度的疏放，根據14204 工作面掘進期間涌水量實測情況預測，14203-1 膠帶運輸順槽正常涌水量為30 m3/h，最大涌水量為45 m3/h，不會對工作面造成威脅。

（3） 底板奧陶系巖溶裂隙含水層（O）。根據麻家梁礦井防治水總體規劃，奧灰水位標高1 059—1 062 m，4 號煤層底板至奧灰水頂板總厚度平均為122.14 m，最小厚度107.5 m，最大厚度154.55 m，4 號煤層底板所承受的奧灰水壓平均4.86 MPa，最小水壓3.88 MPa，最大水壓6.07 MPa，奧灰水對4 號煤層的突水系數平均0.04 MPa/m，最小突水系數0.027 MPa/m，最大突水系數0.056 MPa/m，井田范圍內4 號煤層突水系數均小于0.06 MPa/m。奧灰水對開采4 號煤層不會造成影響，14203-1 膠帶運輸順槽掘進期間不受奧灰水威脅。

（4） 14204 工作面采空區積水。14204 工作面已于2016 年回采完畢，其上覆砂巖含水層作為其補給水源，采空區內低洼處會存在老空水，采空區內積水面積約為163 000 m2，積水線標高為＋630，根據采空區水量計算公式得出14204 工作面采空區積水量約為219 072 m3。

式中：Q采為煤層采空區積水量，m3；K 為采空區的充水系數，取0.21；M 為采空區的平均采高線或煤厚，6.4 m；F 為采空積水區的水平投影面積，163 000 m2；α 為煤層傾角，0。

小煤柱為塑性煤柱，煤體內部裂隙發育，可作為導水通道，14203-1 膠帶順槽掘進期間存在突水危險。綜上所述，14203-1 膠帶運輸順槽掘進期間的主要充水水源為14204 工作面采空區積水。

3 采空區探放水鉆孔設計

3.1 同層采空區探放水技術設計

工作面探放同層老空水與探放上覆老空水有本質上的不同，鉆孔設計對比如圖3 所示。

圖3 鉆孔設計對比分析圖Fig.3 Comparative analysis diagram of drilling hole design

（1） 工作面探放上覆采空區積水時，探放水鉆孔終孔位置均布置上覆煤層開采頂板垮落裂隙發展的“O”型圈內，且該區內具有較強的含水性，導通性較好，能夠使上覆煤層采空區的積水在重力作用下通過鉆孔自上而下排放。

（2） 工作面探放同層采空區積水時，工作面底板標高與采空區底板標高基本一致，采空區內積水流動的動力小，且同層采空區內的矸石、煤泥容易堵塞鉆孔，無法有效排水積水，也容易給人造成無積水的假象。

3.2 探放水鉆孔設計

14203-1 膠帶運輸順槽掘進期間，14204 工作面采空區相鄰14205 工作面正在進行回采作業，為了高效、精準疏放采空區積水，決定從2 個作業地點對14204 工作面采空區積水進行疏放，一個是14205 輔助運輸順槽，另一個是14203-1 膠帶運輸順槽。

3.2.1 14205 輔助運輸順槽疏放老空水

14205 輔助運輸順槽提前施工放水鉆孔對14204 工作面采空區積水進行疏放，對比14204 工作面煤層底板等高線，決定在低洼處對應的14205輔助運輸順槽施工放水鉆孔和水倉，水倉規格為5 m×8 m×1.5 m。

放水鉆孔開孔位置距水倉底板以上1.5 ~ 1.8 m，終孔位置在14204 膠帶運輸順槽底板以上1.5 m。鉆孔方位角90°，傾角2°，鉆孔數量5 個，鉆孔間距1 m，孔深36.5 m，鉆機采用ZLJ-350 型煤礦坑道鉆機，鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 鉆孔布置示意Fig.4 Drilling hole layout

鉆孔施工時以127 mm 鉆頭開孔，開孔10.5 m后下10 m 直徑108 mm 套管，封孔48 h 后打壓試漏，壓力必須達到3 MPa 以上保持2 h 不泄壓方可用直徑60 mm 鉆頭繼續鉆進，并用89 mm 鉆頭掃孔。鉆探施工前完善排水系統，保證正常排水。

14205 工作面回采至水倉附近時，共計放水量28 800 m3，預計14204 工作面采空區標高＋625 以上區域無大面積連續性積水。

3.2.2 14203 - 1 膠帶運輸順槽疏放老空水

14203-1 膠帶運輸順槽掘進期間用直流超前探測和瞬變超前探測2 種[6-7]，超前探查迎頭前方100 m 范圍內的低阻異常及分布范圍，進而分析探測區內含水構造形態、水力聯系，重點通過鉆探對14204 工作面采空區積水進行驗證與疏放。

14203-1 膠帶順槽開始掘進時進行超前鉆探，鉆孔呈扇形布置3 個，探深130 m，保留30 m 安全距離，當14203-1 膠帶順槽掘進至14204 工作面停采線以南時，利用ZQJC-1550/2.8 型氣動架柱式鉆機在煤柱幫每隔30 m 施工1 個探水孔，主要目的為探明14204 工作面采空區積水實際邊界。探水鉆孔開口位置距煤層底板1.2~1.5 m，鉆孔方位角為210°，傾角與煤層平行，孔深16 m，直至探通采空區，如圖5 所示。鉆孔施工過程中，必須安裝孔口套管和控制閥門。

圖5 鉆孔布置示意Fig.5 Drilling hole layout

如果鉆孔見空無水，當班瓦檢工測定氣體成分后，由鉆機隊負責用水泥將封堵鉆孔，封孔長度不低于3 m；如果有水，要通過孔口閥門控制水量，同時安裝45 kW 以上潛水泵組織排水，并根據出水量情況，增加施工放水鉆孔。

當探到老空水后，探水鉆孔轉變為放水鉆孔，每組設計放水孔5~7 個，具體施工鉆孔數根據鉆孔涌水量決定。

14203-1 膠帶運輸順槽施工放水鉆孔，做到施工一個孔，分析一個孔，指導下一個孔，共施工43 個鉆孔，共計疏放水量140 735 m3，其中85%的水量是通過鉆孔終孔布置在臨空調車硐室內排放，消除了迎頭突水危險，保證了工作面安全。

4 結 論

（1） 受14204 工作面采空區積水影響，14203-1 膠帶運輸順槽掘進期間存在同層老空水隱患，影響巷道施工安全，決定對14204 采空區采取合理有效的探放水鉆孔設計，共計疏放水量140 735 m3，消除了迎頭突水危險，保證了工作面安全。

（2） 工作面探放水期間，85%的水量是通過鉆孔終孔布置在臨空調車硐室內來排放的，礦井后續小煤柱探放水鉆孔設計時，可針對性的在臨空調車硐室附近增加鉆孔數量。

（3） 14204 工作面采空區積水量估算219 072 m3，實際放水量140 735 m3，估算量大于實際放水量的主要原因是采空區充水系數K 取值偏大導致，也為后續取值提供實踐參考。