裂隙砂岩顶板掘进巷道探放水技术研究

席健

【摘 要】 本文针对裂隙砂岩顶板掘进巷道渗水量较大的问题，进行了探放水设计及防治措施。以山西某矿2号煤层东翼开拓巷道为例，对出水情况进行分析，研究表明：1.出水通道主要为2号煤层裂隙及巷道掘进引起的塑性区;2.根据巷道出水特征，提出以长钻孔探测、短钻孔疏排为核心的防治水技术，并对长距离探放钻孔、短距离疏排水钻孔进行设计。采取防治水措施后，东翼开拓巷道掘进迎头出水量控制在15m3/h以内，确保了巷道掘进安全，并在一定程度上提升了巷道掘进效率。

【关键词】 巷道掘进;含水层;出水通道;探放水;疏排水

【中图分类号】 TD745 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0031-03

水害是制约矿井生产安全的不利因素，现阶段水害防治技术有疏、堵两种形式，前者主要通过注浆进行，后者则主要是通过钻孔实现。由于煤炭赋存条件差异，不同区域采取的水害治理措施应根据矿井所处环境有针对性开展。

1工程概况

山西某矿主要开采2号煤层，煤层厚度1.8～3.6m（平均2.09m），埋藏深度平均380m，顶板以粉砂、细砂岩为主，底板以粉砂岩为主。具体顶底板岩性见图1。

矿井在东翼掘进2号煤层运输大巷、回风巷以及辅助运输巷大巷过程中，随着向东掘进延伸距离的增加，巷道内涌水量呈现出逐渐增加趋势。辅助运输巷掘进至430m位置处，掘进迎头实测涌水量最大为130m3/h，随着巷道不断掘进，出水量保持在60m3/h且具有一定的出水压力。由于巷道掘进涌水量较大，若继续掘进则存在一定的隐患。

在2号煤层西翼巷道掘进涌水量处于低位，一般在15m3/h以内;东翼巷道不断延伸，出水量呈现出增加趋势，出水主要来自于2号煤层本身及顶板;底板在巷道掘进过程中无出水点。

在东翼掘进的运输大巷、回风巷以及辅助运输巷内涌水有以下特点：在北侧的辅助运输巷出水量>南侧东翼回风大巷出水量>中间运输大巷出水量。同时由于巷道间的掘进速度存在差异，超前掘进巷道出水量显著大于滞后巷道掘进涌水量。依据矿井掘进巷道出水量分析，2号煤层整体东翼富水性较强，在东翼北侧煤层富水性高于南侧。

2掘进巷道出水条件分析

巷道出水条件与巷道围岩、出水通道、出水水源以及矿井生产情况密切相关。为掌握巷道出水条件，首先应分析巷道掘进对围岩造成的影响，并结合矿井实际生产条件，分析具体的出水水源以及出水通道，从而为后续的防治水措施制定提供一定参考依据。

2.1巷道掘进围岩塑性区

在巷道掘进开挖影响下，围岩会有一定程度应力集中，从而有一定范围的塑性区产生，在塑性区范围内裂隙较为发育，是良好的出水通道。矿井东翼辅助运输巷设计宽、高分别为5.4m、4.25m，巷道沿着2号煤层底板掘进，采用数值模拟软件分析得出的巷道掘进后围岩塑性区分布范围见图2。

2.2巷道出水因素分析

2.2.1出水水源

地表水以及大气降水是2号煤层东翼掘进巷道出水的间接出水水源。

根据东翼辅助运输巷迎头出水点并结合掘进巷道引起的塑性区分布范围分析，2号煤层内部裂隙较为发育，在煤层裂隙内有出水甚至喷水现象，部分裂隙被方解石以及黄铁矿等物质填充，说明2号煤层在沉积发育过程中形成有大量伴生裂隙，这些裂隙是天然的储水空间，加之煤层顶板砂岩中裂隙较为发育，造成煤层与上覆砂岩含水层直接联通，上覆砂岩含水层水沿着裂隙在重力作用下涌入到煤层裂隙中。因此巷道掘进出水的直接水源为2号煤层裂隙水及砂岩裂隙水。具体现场采集到的2号煤层顶板砂岩见图3。

2.2.2出水通道

巷道掘进过程中引起的塑性区、局部存在的断层裂隙、煤层原始伴生裂隙以及封闭不良地质钻孔等均为巷道出水通道。

综合上述分析，矿井东翼2号煤层掘进的巷道出水直接来源于2号煤层本身的裂隙水、顶板砂裂隙水，大气降水、地表水等均为间接水源;出水通道主要为2号煤层本身裂隙、巷道掘进引起的塑性区，其次為局部地质构造以及封闭不良地质钻孔。

3掘进巷道探放水设计

3.1探放水方式

矿井东翼3条开拓巷道掘进沿2号煤层底板掘进，均为半煤岩矩形巷道，根据上述分析得知，2号煤层本身为顶板砂岩，含水层为间接充水水源。煤层出水已经对巷道安全掘进带来不利影响，为了改善巷道掘进环境，确保巷道掘进安全，需要超前对2号煤层裂隙水进行疏排。

巷道探放水工作开展按照长钻孔探测、短钻孔疏排开展，具体是采用长距离钻孔对富水区域进行探测，利用短钻孔进行疏排。

为了提高探放水钻孔施工效率，降低探放水工作对掘进造成的影响，并依据2号煤层水压情况，采用长距离钻孔（钻进长度500～700m）进行探测。

3.2探测钻孔参数

3.2.1施工参数

在进行探放水时，为了确保巷道掘进安全，需要有一定的超前探测距离，超前探测距离与水压、煤体强度以及煤层厚度等相关，根据《煤矿防治水细则》中推荐公式，超前探测距离可以采用下述公式计算：

其中：L表示超前探测距离（应在20m以上）;K表示安全系数（取值3）;M表示煤层厚度（取值2.09m）;p表示水头压力（取值3.21MPa）;kp表示煤体抗压拉强度（取值0.401MPa）。

计算得出L=17.59m。根据《煤矿防治水细则》有关内容，最终设计的超前探测距离为30m，巷帮两侧探测距离为20m。

3.2.2允许掘进距离

巷道允许掘进距离根据探超前探放距离以及放水钻孔终孔位置决定。在满足《煤矿防治水细则》有关规定基础上，根据矿井2号煤层东翼掘进巷道出水情况，超长探测钻孔距离为530m，巷道允许掘进距离为500m，保留安全距离为30m;短距离疏排钻孔长度为130m，允许掘进距离为100m，保留安全距离为30m。

3.2.3钻孔止水套管长度

由于2号煤层内水头压力在3.1MPa>3MPa，依据《煤矿防治水细则》规定，长距离探放水钻孔及短距离疏排水钻孔止水套管长度均选取25m。

3.2.4钻孔终孔间距及孔径

钻孔终孔间距指的是在允许掘进距离范围内的探放水钻孔最大间距，由于矿井采用长距离、短距离钻孔相结合方式，因此，长距离探放水钻孔终孔间距控制在20m，且应控制巷帮两侧各20m范围;短距离探放水钻孔根据涌水情况灵活布置，终孔间距为15m。

长距离探放水钻孔孔径为96mm，短距离疏排水钻孔孔径为75mm。

3.3长距离探放水钻孔设计

为了确保东翼三条开拓巷道可以正常掘进，并降低由于钻孔钻进施工及钻孔对正常掘进影响，在探放水钻孔钻场退后掘进迎头15m处开设钻场（长、宽、高分别为8.0m、6.0m、3.5m），具体钻场示意图见图4。

钻场内钻孔开孔位置高于2号煤层底板0.8～1.2m，每个钻场内布置一个长距离探放水钻孔，探测距离控制在530m，允许巷道掘进距离为500m。由于运输大巷位于辅助运输巷及回风大巷间，属于两条掘进巷道疏排水钻孔交叉影响范围内，因此不再单独布置长距离探放水钻孔，探放水钻孔布置示意图见图5。

2号煤层硬度在1.5～2.0，煤层较为坚硬，为了确保长距离探放水钻孔成孔质量，钻孔开孔孔径选择165mm，待钻进26m后下放壁厚5mm、直径127mm、长25m止水套管，随后钻孔以96mm孔径钻进至设计位置，具体封孔装置见图6，长距离探放水钻孔施工参数见表1。

3.4短距离疏排水钻孔

钻孔钻进时开孔孔径为127mm，待钻进至26m位置时下方放直径108mm、长度25mm止水管，随后更换75mm钻头继续钻进至设计位置。在疏排水钻孔施工过程中应按照规定安装防突水装置。

4总结

本文对矿井东翼开拓巷道掘进期间出水进行分析，巷道出水直接来源于2号煤层裂隙水及上覆砂岩裂隙水，大气降水、地表水等为间接水源;出水通道主要为2号煤层本身裂隙、巷道掘进引起的塑性区，其次为局部地质构造以及封闭不良地质钻孔。

根据掘进巷道出水特征，掘进巷道探放水工作开展按照长钻孔探测、短钻孔疏排开展，具体是采用长距离钻孔对富水区域进行探测，利用短钻孔进行疏排。并具体对长距离探放钻孔、短距离疏排水钻孔进行设计。

在掘进巷道采取防治水措施后，不仅未降低巷道掘进效率，而且在一定程度上提升巷道掘進效率，确保了巷道掘进安全。

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