超前探放防治水技术在相邻采区中的应用

魏天乐 赵连刚 邢 永

（河南能源化工集团新疆公司永宁煤化潘津工业煤矿，新疆 伊犁 835099）

矿山水害的防治是矿山实现安全生产的一项重要内容，很多学者对此做了大量的研究。刘斌[1]等人分析了国内煤矿存在的水文地质缺陷；黄华荣[2]等人研究了物探与钻探等技术在矿山中的应用；史先志[3]对承压水上煤矿开采底板的破坏机理以及由此导致的水害进行了研究；许多学者[4-7]针对一些特殊的工作面、巨厚煤层等条件下开采，提出了一系列的防治水措施。潘津工业煤矿的2303 工作面与2302 采空区是两个相邻的工作面，由于2302 采空区存在大量的积水会对2303 切眼工作面与轨道顺槽造成水害问题，为了解决其存在的水害问题，提出了在2303 切眼工作面采用超前探放防治水技术对水害进行防治。

1 工程概况

2303 工作面煤层走向75°，倾向165°，平均倾角17°，煤层厚度为15.3～16.5 m，平均厚度为15.9 m，属于厚煤层。该工作面在掘进期间会出现顶板淋水的现象，主要的充水因素为地面大气降水、八道湾组下段含水层、2302 回采工作面采空区以及2204 回采工作面采空区局部积水段。巷道在掘进期间，预计正常涌水量为6 m3/h，最大涌水量为10 m3/h，考虑后期2302 回采工作面采空区探放水50 m3/h 时，预计工作面最大涌水量可达60 m3/h。2302 采空区作为与2303 相邻的工作面，其存在的积水对2303 工作面的正常开采可能存在严重威胁。2302 采空区面积为43 514.5 m2。2303 切眼掘进工作面断面为矩形，断面净宽为3400 mm，净高为2600 mm，S净=8.84 m2；掘进宽度3600 mm，掘进高度2700 mm，S掘=9.72 m2。2303 切眼工作面的相对位置以及标高等参数见表1。

表1 2303 切眼工作面具体参数

2 2302 采区水力计算

由于需要进行水害的防治，需要计算主要充水源2302 采空区的相关数据，包括采空区的积水量、水头压力等，为超前钻探放水提供基础工程数据。

由于2302 采空区积水区标高范围为+601.651～+636.6 m，积水区面积43 514.5 m2，因此采空区的积水量可以采用公式（1）计算：

Q=K×S×M/cosα（1）

式中：Q为采空区积水量，m³；K为采空区充水系数，取0.1；M为采空区平均采高或煤厚，m；S为采空积水区的水平投影面积，m²；α为煤层倾角，17°。

当K取0.1，M按 照0.7 倍 采 厚 计 取11.2 m，S取43 514.5 m2时：Q=0.1×11.2×43 514.5/cos17°≈50 963 m³。因此2302 采空区的积水量为50 963 m³。

由于2302 采空区积水上限标高为+636.6 m，2303 切眼探水的位置标高为+587.412 m，因此采空区水头高度为49.188 m，2302 采空区水头压力采用公式（2）计算：

P=ρ×g×h（2）

式中：P为水头压力，MPa；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m2/s；h为水头高度，m。

当ρ取1000 kg/m3，g取9.8 m2/s，h 取49.188 m 时：P=1000×9.8×49.188=482 042.4 Pa ≈0.48 MPa。因此2303 切眼探水位置的2302 采空区积水的最大水头压为0.48 MPa。

3 超前探放防治水技术的应用

3.1 超前距的确定

为了确保探放水过程中的安全，探放水线需要距离积水线至少30 m，超前距采用公式（3）计算：

式中：L为超前距，m；K为安全系数，取5；M为巷道高度，2.6 m；P为水头压力，0.48 MPa；Kp为煤层抗张强度，取0.715 MPa。

计算得L=9.2 m。为提高安全系数，超前距取30 m。具体积水区探水线、积水区警戒线以及积水区的位置如图1。

图1 积水区、探水线、警戒线位置示意图

3.2 钻场布置

在2303 切眼通尺的89 m 位置开始施工钻场，即测量控制点03J13 点前92.5 m。钻场设计长度5.0 m，深度3.4 m，高度2.6 m，支护方式为“锚网索+钢筋梯”。钻孔放水利用2303 切眼开口位置施工的水仓进行抽排，水仓尺寸为长4 m、宽3 m、深1.5 m。

3.3 钻孔设计

由于2302 采空区位于2303 切眼工作面的北侧，钻孔设计时对2302 采空区施工定向钻孔，本次施钻共计需布置3 个钻孔。

1#钻孔布置于钻场正中偏左1.2 m 处，距巷道顶板高度为1 m，方位345°（与巷道掘进方位夹角14°43′58″），倾角为22°，钻孔深度64 m；2#钻孔布置于钻场正中偏左0.5 m 处，距巷道顶板高度为1 m，方位345°（与巷道掘进方位夹角14°43′58″），倾角为16°，钻孔深度61 m；3#钻孔布置于钻场正中偏右0.1 m 处，距离巷道顶板高度为1 m，设计方位为345°，倾角15°30′（与巷道掘进方位夹角14°43′58″），钻孔深度为63 m。钻孔具体布置以及相关参数如图2 及表2。

图2 钻孔布置剖面图（mm）

表2 放水钻孔参数

3.4 钻探放水设备

2303 切眼工作面超前钻探工作使用ZDY4000L（A）型煤矿用全液压坑道钻机，施工地质超前钻探孔，钻杆型号为Ф73 mm×1500 mm，配备60 根，具体设备参数见表3。

表3 钻孔设备参数

在钻孔过程中，需要不断调整钻孔角度，保证施钻方位角度误差小于±1°。施钻地点必须悬挂瓦斯、CO 便携仪，以便检测钻进过程中是否存在有毒有害气体，保证在施工过程中的安全。在后续的放水过程结束后，还需要对放水孔进行封孔，初期封孔方式为“关闭止水套管上的闸阀”，确保不漏风。待工作面扩切眼前要求采用注浆泵压注水泥浆进行全孔封堵，防止工作面漏风。

3.5 工程应用

2303 切眼工作面共布置了4 个钻孔，4#钻孔为验证钻孔，具体四个钻孔的放水情况如图3。

图3 各钻孔累计放水量

（1）1#钻孔

9 月9 日夜班完成1#孔施工，1#孔0～73 m 煤（63 m 处透孔），钻孔出水，初始水量23 m3/h，初始水压0.49 MPa；9 月11 日进行疏孔，疏孔后水量65 m3/h，水压0.49 MPa；10 月6 日早班水量0 m3/h；10 月9 日再次进行疏孔，确认钻孔无水。该钻孔累计放水372 h，放水30 117 m3。

（2）2#钻孔

9 月9 日早班完成2#孔施工，2#孔0～72 m 煤（64 m 处透孔），钻孔出水，初始水量0.36 m3/h，初始水压0.42 MPa；9 月15 日进行疏孔，疏孔后水量84 m3/h，水压0.49 MPa；截至10 月10 日早班水压0.16 MPa，水量1.3 m3/h；10 月10 日再次进行疏孔，疏孔后钻孔水量未发生明显变化。从疏孔情况分析，能够确认该钻孔终孔层位积水已疏放完成，目前该钻孔剩余的1.3 m3/h 水量主要为顶板砂岩裂隙水补给。该钻孔累计放水488.5 h，放水17 574 m3。

（3）3#钻孔

9月10日夜班完成3#孔施工，3#孔0～72 m煤（68 m 处透孔）、72～84 m 岩，钻孔出水，初始水量4.6 m3/h，初始水压0.48 MPa；截至10 月10 日早班水压0.16 MPa，水量1.2 m3/h；10月10日再次进行疏孔，疏孔后钻孔水量未发生明显变化。从疏孔情况分析，能够确认该钻孔终孔层位积水已疏放完成，目前该钻孔剩余的1.2 m3/h 水量主要为顶板砂岩裂隙水补给。该钻孔累计放水488 h，放水2467 m3。

（4）4#钻孔（验证孔）

10 月8 日中班完成4#孔施工，4#孔（验证孔）0～66 m 煤（63.5 m 处透孔），钻孔出水，初始水量2.3 m3/h，初始水压0.158 MPa；10 月10 日早班水压0.158 MPa，水量1.1 m3/h。该水源主要为顶板砂岩裂隙水补给，因此2302 采空区积水已疏干。

4 结论

根据记录前三个钻孔累计放水量为50 158 m3，并分析4#钻孔对2302 采空区积水探放的验证情况可知，本次探放水工程设计与应用合理，可判定2302 采空区积水疏放完成，2302 采空区对2303 切眼工作面及2303 轨道顺槽不构成水害威胁。