增子坊煤礦5305 回采工作面超前探放水設(shè)計

劉偉杰

（山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司，山西 朔州 038300）

礦井水害是煤礦井下“五大災(zāi)害”之一，雖發(fā)生頻率不是很高，但造成的危害不容忽視。國內(nèi)外煤礦發(fā)生水害事故的時有發(fā)生，故水害嚴(yán)重的礦井應(yīng)做好防治水工作[1-4]。采掘工程施工前進(jìn)行超前探放水是最常用且效果顯著的措施，具體的探測方法較多，技術(shù)體系日漸完善成熟[5-9]。

1 概況

朔煤鐵峰煤業(yè)增子坊礦8#煤層303 盤區(qū)5305 回采工作面為二疊系山西組，位于303 盤區(qū)中部，南起盤區(qū)輔運大巷，北到虎山線保護(hù)煤柱，東、西兩側(cè)均為實體煤。大致為一不對稱背斜構(gòu)造，地層中南部高兩邊低，相對高差大約20 m，地層傾角0°～7°，平均3°左右，斷層附近可達(dá)8°以上，裂隙發(fā)育。煤層總厚 （含夾石）5.78～4.14 m，平均4.57 m，煤層較穩(wěn)定。頂板巖性：直接頂為深灰色、灰褐色砂質(zhì)泥巖，近均一結(jié)構(gòu)，斷口貝殼狀，含植物化石，松軟，巖芯較破碎，波狀或交錯層理，厚6.70 m；老頂為深灰- 灰黑色砂質(zhì)泥巖，局部與細(xì)砂巖互層，含少量植物化石和5#煤層，總厚30.9 m。5305 工作面長度為836 m，從8#層皮帶巷開始向北西方向掘進(jìn)。巷道規(guī)格為5.0 m×3.3 m，斷面16.5 m2。支護(hù)形式為頂板錨網(wǎng)加錨索，煤幫為錨網(wǎng)。巷道掘進(jìn)方式采用機(jī)組割煤掘進(jìn)。工作面巷道掘進(jìn)至132 m 處遇落差7.50 m 的正斷層。

8#煤層5305 工作面水文地質(zhì)條件中等，地面全部為黃土覆蓋，在雨季受大氣降水影響，低洼區(qū)易形成積水，存在幾處富水區(qū)，多處煤壁及支架有滲水現(xiàn)象。上覆為5#煤層采空區(qū)，在工作面尾部切巷附近低洼區(qū)有積水，積水量約0.45 萬m3，在裂隙發(fā)育或斷裂處涌水明顯增大，超過30 m3/h。由于5#—8#煤層為近距離煤層（層間距12～15 m），為確保安全，在掘進(jìn)時嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探，先探后掘”，提前對上覆5#煤層采空區(qū)進(jìn)行探放水，安排排水設(shè)備，及時排除工作面積水，如圖1 所示。

圖1 5305 巷平面布置

為了探查掘進(jìn)前方裂隙涌水的位置和范圍，確保采掘安全，結(jié)合增子坊礦地質(zhì)及水文地質(zhì)條件和相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。為使探測與生產(chǎn)互不干擾，井下超前鉆探利用檢修班時間，在工作面支護(hù)完好的情況下，在掘進(jìn)巷道迎頭施工探測，不容許在巷道側(cè)幫開掘鉆場進(jìn)行施工，如圖2 所示。

圖2 平面測點施工

2 井下物探

為確保煤礦安全生產(chǎn)，在巷道掘進(jìn)過程中，需要進(jìn)行井下物探設(shè)計，以便準(zhǔn)確探明富水區(qū)的所處位置和范圍大小。

2.1 瞬變電磁法超前物探

采用瞬變電磁法、重疊回線組合裝置進(jìn)行超前探查，根據(jù)操作規(guī)程和礦井所配備儀器的自身特點選擇合適的施工方法，保證數(shù)據(jù)采集的可靠性。瞬變電磁施工工作量不小于33 個物理點。

水平方向的探測點選在工作面迎頭位置，數(shù)量為11 個，每0.5 m 進(jìn)行一組探測，如圖2 所示。

豎直方向的探測點布置三個方向，分別為水平、向上20°～30°、向下20°～30°，具體傾角視煤層厚度確定，如圖3 所示。

圖3 豎直測點施工

施工時需確認(rèn)周圍環(huán)境安全，要求掘進(jìn)機(jī)最前端與迎頭煤壁的距離大于20 m，且該區(qū)域范圍內(nèi)巷道無積水，掘進(jìn)機(jī)機(jī)組斷電。在迎頭位置及10 m 處擺設(shè)好發(fā)射線圈和接收線圈的位置及角度，連接主機(jī)后設(shè)置參數(shù)及日期，經(jīng)調(diào)試保證試采數(shù)據(jù)質(zhì)量良好后，正式采集水平方向、向上20°～30°、向下20°～30°的數(shù)據(jù)。

2.2 直流電法

工作面掘進(jìn)過程中，每70 m 采用直流電流探測一次，每次物探距離為100 m，留設(shè)30 m 安全距離。采用礦井直流電法對掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探查，應(yīng)用三極法裝置，探測深度隨同一測點上電極距的增大而變大，得到沿水平方向上的觀測數(shù)據(jù)。采用A、M、N 三極測深裝置，5～10 倍的探測距離處放置電極B，供電電極A 位置固定，測量電極M、N 保持移動，由近及遠(yuǎn)，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 直流電法施工裝置

在距迎頭550 m 處布置無窮遠(yuǎn)電極，將電極釘入巖性底板，并澆適量水，保證接觸良好。距迎頭14 m 處開始，依次布置供電電極A1、A2、A3 以及測量電極M、N，間距均為4 m，要求接觸良好，必要時可澆適量水。連接主機(jī)，試采數(shù)據(jù)質(zhì)量良好后，依次采集A1、A2、A3 的電壓、電流值；然后將M 電極拔出，向后移動8 m，依次采集A1、A2、A3的電壓、電流值；將N 電極拔出，向后移動8 m，繼續(xù)依次采集A1、A2、A3 的電壓、電流值。以此類推，直至采集夠30 組數(shù)據(jù)。

3 超前鉆探設(shè)計

為了探查掘進(jìn)前方裂隙涌水的位置和范圍，確保采掘安全，進(jìn)行超前鉆探設(shè)計。

3.1 超前鉆探

依據(jù)煤層厚度和機(jī)掘巷道特點，使用ZYJ-380/210 型架柱式鉆機(jī)，鉆進(jìn)深度150 m，在回風(fēng)巷施工。采用3 孔探測方法，即每組施工3 個鉆孔（不包括探上覆采空區(qū)孔），正中一孔，左右各一孔與中孔夾角16°，單孔深度80 m，允許掘進(jìn)50 m，留有30 m 安全距離。如果遇構(gòu)造或其他條件變化，根據(jù)實際情況改變鉆孔參數(shù)和數(shù)量，如表1、圖5 所示。

表1 超前探設(shè)計施工鉆孔參數(shù)

圖5 超前探查鉆孔平面/剖面/斷面

鉆孔最下層開孔高度為距底板1.2～1.5 m，如巷道留有煤底，則根據(jù)煤底厚度下調(diào)鉆孔角度，原則是最下層鉆孔的終孔位置距煤層底板不超過1.5 m。鉆孔在施工中，如因地質(zhì)構(gòu)造煤巖層松軟糊鉆、卡鉆等，未達(dá)到設(shè)計深度時，應(yīng)根據(jù)本組探孔中最短的一孔，留足30 m 安全距離后，確定允許掘進(jìn)進(jìn)尺。

3.2 探測上覆采空區(qū)積水設(shè)計

根據(jù)8305 工作面5#—8#煤層層間距較小（12～15 m 左右）的情況，決定利用掘進(jìn)過程中的“有掘必探”，提前對上覆5#煤層采空區(qū)積水進(jìn)行探放。探放水孔與“有掘必探”鉆孔同時進(jìn)行，每隔50 m 向上探一孔，孔深83 m。正常區(qū)域按一孔探測，位置在工作面迎頭，鉆孔方位330°，與巷道設(shè)計坡度夾角16°，探通5#煤層為止；接近探水線則再增加一孔，鉆孔方位300°，其它參數(shù)不變。

因工作面為一不對稱背斜構(gòu)造，巷道大部分為下山掘進(jìn)，在巷道掘進(jìn)至820 m 處 （警戒線附近），鉆孔開孔后6 m 必須先安好孔口管（孔口管長度不低于2.5 m）和控制閥門，并經(jīng)打壓試驗，確認(rèn)牢固后，方可繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔結(jié)束后，如無水要及時關(guān)閉閥門或封孔，如有水，則在退出鉆桿后及時關(guān)閉閥門，然后連接水管，將水導(dǎo)入水倉，再通過水泵排出巷外。鉆孔探通后，要由瓦斯員進(jìn)行瓦斯檢查，確認(rèn)無有害氣體后，方可進(jìn)行退鉆桿工作，鉆桿退出后要及時封孔。結(jié)合實際情況對照分析鉆探、物探結(jié)果，如有異常情況，增加鉆探、物探次數(shù)。

3.3 鉆孔封堵

（1）抄手木楔+水泥法

上部抄手式木楔，下部用水泥砂漿進(jìn)行封孔，如圖6 所示。封堵后確保鉆孔不漏風(fēng)、不漏水，無有害氣體泄漏，并由瓦斯員現(xiàn)場檢查確認(rèn)。木楔直徑根據(jù)鉆孔直徑而定，但略小于孔徑5 mm 左右，能使其順利進(jìn)入孔內(nèi)，但不宜太小。

圖6 鉆孔封口

（2）水泥注漿泵封孔法

采用水泥注漿泵，將攪拌好的水泥砂漿注入鉆孔內(nèi)，進(jìn)行全孔封堵。封孔泵型號為BFZ-10/1、2 （2.4） 型礦用注漿封孔泵，水泥砂漿比例為1∶0.4（沙∶水泥）。

此法有以下優(yōu)點： 可同時攪拌和輸送高稠度水泥漿； 無需擴(kuò)孔，只需將注漿管在孔口固定即可；采用高稠度水泥漿，具有不收縮性，能保證其嚴(yán)密性，提高封孔質(zhì)量；封孔長度一般不小于孔深的1/3。如遇煤巖層層理、節(jié)理較發(fā)育時，可進(jìn)行全孔封堵。

3.4 排水

（1）排水路線

8#煤層5305 巷→中央水倉→主斜井→地面污水處理廠。

（2）排水設(shè)施

巷道鋪設(shè)108 mm 排水管路各一趟，安設(shè)45千瓦以上水泵兩臺。根據(jù)巷道起伏，在巷道低洼區(qū)域構(gòu)筑臨時水倉。排水泵及排水管隨工作面的掘進(jìn)不斷前移，工作面積水由潛水泵排至臨時水泵窩。

4 結(jié)語

鐵峰煤業(yè)增子坊煤礦5305 工作面在施工中遇到了較嚴(yán)重的裂隙涌水問題，為了防止事故發(fā)生，采用瞬變電磁法和直流電法對巷道進(jìn)行超前探測，施工超前鉆孔進(jìn)行探放水，并提出了封孔和排水措施，有效地控制了巷道的涌水量，尤其是經(jīng)過裂隙區(qū)域時沒有受到水患的影響，為防治水工作提供參考。