腾晖矿三采区回采巷道掘进综合探放水技术研究

杨红刚

（霍州煤电集团晋南煤业有限公司，山西 运城 043300）

我国煤炭资源所处的地质条件相对复杂，一些矿井在开采的过程中可能会遇到大量的水涌出，影响了工作人员的安全，同时给煤矿带来了一定的利益损失[1-3]。对回采巷道掘进过程中可能的涌水水源进行分析，并依据水源条件采取相应的防治水技术方案实施，对矿井的安全生产具有非常重要的理论指导作用和经济意义[4-7]。本文以腾晖矿三采区准备巷道地质条件为基础，对矿井充水的主控因素进行分析，从而有针对性地设计出回采巷道掘进探放水技术措施并疏放干净积水，避免出现涌水事故，对矿井的安全生产及经济效益都起到显著的作用。

1 三采区概况

腾晖煤业为资源整合重组矿井，主要水害为采空区积水。因早期小窑较多，开采历史久远，开采无序，存在越界开采现象。三采区位于腾晖井田东部，主要开采2 号煤层，该采区走向长约3 km，倾向长约1.8 km，采区面积约为3.616 km2，整体为一不规则的多边形，开采水平+330 m，煤层标高+325～ +620 m，地面标高+623～ +842 m，埋藏深度150～470 m。根据井下探放水、井下疏放水点情况结合井下巷道实测图纸，分析三采区内存在4 处采空积水区，积水区总面积0.256 35 km2，具体积水量不详，对回采工作面的掘进工作产生了一定的阻碍作用。

2 水文地质条件与矿井充水主控因素分析

矿井主要的充水水源有煤层顶板含水层充水、底板奥灰岩溶水和同层老空积水。煤层顶板含水层充水一般不具有突发性，单位涌水量小。本区地势坡度大，无长存地表水体，冲积层不发育，正常情况下浅表层水的充水强度有限，但是由于采动影响形成的塌陷与裂隙成为矿井的主要水害隐患之一。腾晖煤业及矿井周边老窑水及奥灰岩溶水仍然是防治水的重点，也是矿井充水的重要因素。所以，矿井充水的主控因素是奥灰水与采空老窑水。

2.1 矿井及周边采空区积水、老空水

该矿采空区积水位置、积水量清楚，掘进及回采前按照相关规程、规定对采空区积水进行有效疏放，注意隐伏构造、断层导水，加强探放水工作，即可保障安全，消除隐患。三采区的原海圣煤矿小窑破坏区积水探查，工作面掘进期间受5 座小煤窑及4 处积水区威胁。三采区巷道掘进期间，除了执行老空水防治“四步工作法”，需要加强小煤窑破坏区域“长探+短探（班班自探）+长探孔痕迹管理”综合探测，确保掘进期间的安全，需要技术、经济上的投入较大，需投入的防治水工程周期长，工作量大。

2.2 顶板太原组石灰岩含水层

主要有K2、K3 和K4 三层灰岩，下组煤层采动垮落导水裂隙带以及原生断裂，是顶板主要的充水通道。不过由于补给条件相对较差，充水强度比较弱，通常对矿井不构成水害。一些断裂构造发育的区段可能成为导水或储水构造，揭露时可能发生初始流量较大的突水。

2.3 奥陶系石灰岩含水层

采掘工程大部位于奥灰带压区域，突水系数在0～0.029 MPa/m 之间，虽然带压突水系数小于0.06 MPa/m，由于三采区内存在F1、F2、F4 断层，可能会对煤层底板的完整性造成破坏，这种情况很有可能导致地下水通过断层、钻孔等导水通道涌入矿井，造成巨大的矿井安全生产隐患。

上述所有工作面水量均以静储量为主，开采中刚刚揭露时淋水较大，随着工作面延伸与时间推移，淋水逐渐减少。所以，对于腾晖煤业煤层开采而言，只要按规定做好防排水系统建设，特别是要增大工作面防排水系统能力，能够有效抵御含水层水带来的影响。

3 巷道掘进防治水方案研究

3.1 探放老空积水技术方案

在工作面开始掘进前需对巷道设计200 m 范围内的小窑破坏区、积水区进行全面调查，针对老空区积水，采用长探、短探相结合的方式进行探测并安全疏放老空区积水。

3.1.1 钻孔设计方案

（1）在警戒线圈定以外区域，按照掘进钻探“有掘必探”的工作要求，结合地面、井下物探成果，实行基本钻探方式。按巷道的设计方向，设计钻孔成扇形布置，按照钻探有效深度100 m，超前安全距离控制30 m，帮距控制30 m，允许掘进距离70 m的要求，布置5 个钻孔进行方案设计，如图1。

图1 探水钻孔的布置方式、数量和夹角大小（Ⅰ）（m）

（2）针对警戒线以内、探水线以外的过渡区域，首先需要设计钻孔成扇形布置，按照钻孔有效深度60 m，超前安全距离需要控制在30 m，帮距则控制在30 m，允许掘进距离30 m 的要求，布置9 个钻孔，煤层赋存方向需要布置5 个孔，垂直方向的前进方向正中则需要布置3 个孔，左右两侧各布置2 个孔。若长探钻孔在钻探60 m 以内出现卡钻、不返水或者见空等情况，需探查清楚采空破坏区范围、积水积气情况，在探查清楚并确保无水害威胁后，按照贯通管理揭露采空破坏区，如图2。

图2 探水钻孔的布置方式、数量和夹角大小（Ⅱ）（m）

（3）在探水线以内区域，按照《煤矿防治水细则》规定：若老空位置比较明确，工作人员应有针对性地进行专项探放水设计方案，获得批准后实施；如果老空位置并不清晰，探水钻孔成组布设，以扇形呈现在巷道前方的水平面和竖直面内。钻孔终孔位置也有要求，必须在满足水平面间距的同时小于或等于3 m，如果是厚煤层内，各孔终孔的竖直面间距也有要求，不能大于1.5 m。

（4）掘进工作面短探管理，“短探”是指为了弥补“长探”盲区而采取的补充钻探措施，一般钻探深度较小，施工时间短，探测效果明显。受小煤窑威胁的区域必须严格执行“长探+短探，短探纳入掘进作业工序，班班落实自探”的规定，具体按照矿总工程师批准的短探设计组织实施。

（5）对钻孔进行痕迹管理，每班对钻孔位置进行交接班，并建立台账，发现钻孔入帮或丢失及时汇报，钻探盲区超出可控范围及时停掘采取补探措施。

3.1.2 疏放采空区积水

探放水钻孔在探测到采空破坏区或者采空积水区后，需探查清楚破坏区边界位置及破坏区内积水情况，并对积水进行专项疏放。疏放老空水时，为提高钻探成果精准度，钻探过程中推广应用YZG7矿用钻孔轨迹仪和钻孔窥视技术，精准把控钻孔的轨迹图形以及深度、倾角、方位角数据实现精准预测钻孔的见煤、见空、见水位置及标高。疏放过程中，详细记录放水量、水压动态变化及有毒有害气体涌出情况（疏放水期间水量未稳定前每天观测一次，水量稳定后一旬观测一次）。

放水结束后，采用钻探方法对放水效果进行验证，以保证积水疏放干净。在采空破坏区内积水疏干放净后，以最短见空钻探距离为允许掘进距离，超前距按下式计算：

式中：a为超前距（或帮距），m；A为安全系数，一般取2～5；L为巷道的跨度（宽或高取其大者），m；P为水头压力，MPa；kp为煤的抗张强度，可由试验测定，一般采用0.2～1.4 MPa，在无实测资料时可供参考。所有探放水钻孔在设计中必须安设止水套管，止水套管长度按照预计采空积水水压、煤岩层厚度、煤岩层抗张强度进行确定，但不得小于6 m。

3.2 效果分析

腾晖矿三采区回采巷道掘进过程中面临的主要威胁即为小煤窑开采破坏区及内部积水，物探方式仅能大致确定小煤窑开采破坏区范围。为此，在腾晖矿三采区回采巷道掘进采用“长探+短探（班班自探）+长探孔痕迹管理”综合超前探水技术，通过长探掌握掘进巷道前方地质资料，短探可实现长探盲区探测，避免出现误揭小煤窑采空区问题，同时实现采空区积水超前疏排；痕迹管理可有效避免假钻孔或者钻进不到位等问题，提高钻孔施工可靠性。采用长探+短探对老空积水进行专项干净疏放，布置的放钻孔共计排放老空积水超过30 万m3，通过超前探测使得三采区回采巷道掘进工作面能够安全高效掘进，同时避免了涌水事故的发生，表明该探放水技术方案起到了很好的效果。

4 结论

本文以腾晖矿三采区准备巷道地质条件为基础，为解决掘进工作中出现的涌水问题，对矿井涌水的主控因素进行分析，确定了影响掘进的主要因素为奥灰水与采空老窑水。针对开拓范围内积水情况，设计出腾晖矿三采区准备巷道掘进过程中探放水技术措施并在现场进行了有效实施，验证了“长探+短探（班班自探）+长探孔痕迹管理”综合超前探水技术方案具有很好的应用效果，对煤矿的安全生产具有重要的借鉴意义。