开元矿井下探放水方案设计及应用

郑建龙

（华阳集团 开元公司，山西 晋中 045400）

0 引 言

开元公司位于山西省寿阳县城北西14 km 处，西距太原45 km，占地面积27.5 km2。南邻太旧高速，中部有307 国道，坑口有石太运煤铁路专线，交通便利。开元矿15402 巷道通过地质勘测，其顶板上方存在采空区积水问题，给巷道掘进带来潜在危险。实践表明，漏水是引发矿井安全事故的关键因素之一，巷道顶部采空区积水或围岩积水是导致的巷道顶板漏水的主要因素。针对积水问题，可采取探放水技术进行治理，将采空区或围岩内部的积水超前排放，解决顶板漏水隐患。然而，井下工况复杂，探放水作业中多会出现各种施工问题，影响探放水作业安全和进度。因此，必须结合矿井实际，对探放水的工艺和技术进行设计，以提高探放水施工技术水平，确保煤炭开采安全。

1 探放水工程概况

开元矿15402 巷道位于采区的北侧，该巷道沿着9 号煤底板进行采掘，巷道横断面呈矩形，宽度4.6 m、高度3.3 m，总长2 303 m。15402 巷道所在的煤层多为石炭系煤层，煤层厚度3.51～5.8 m，平均厚度4.93 m。煤层工作面周边区域未出现明显的断层及其他不良状况，地质构造相对简单。15402 巷道直接顶围岩为砂质泥岩，围岩平均厚度2.63 m。煤炭开采作业中易出现围岩压力波动，导致顶板围岩发生断裂、破碎等问题。基本顶也属于砂质泥岩，平均厚度4.98 m。底板为砂质泥岩、局部细粒砂岩，平均厚度13.7 m。采空区距顶板约10 m，采空区存有积水。15402 巷道掘进中容易出现顶板漏水现象，严重威胁生产安全，影响施工进度。因此，为确保巷道掘进安全，采取科学的探放水措施。

2 井下巷道探放水方案设计

2.1 探放水施工设备选择

根据15402 巷道的实际状况，进行探放水施工方案的设计。钻孔设备采用CMSI-8000/90 型矿用深孔钻车，选择φ42 mm 钻头、φ65 mm 钻杆，钻孔深度为70 m。

2.2 探放水方案中孔位的布置

为有效保障巷道采掘作业中的探放水效果，在工作面迎头区域布置7 个探放水钻孔，编号依次为K1～K7。孔深全部为70 m，钻孔呈扇形分布，具体如图1 所示。

图1 探放水钻孔的位置分布情况Fig.1 Position distribution of water exploration and drainage borehole

K1～K4 孔主要用于控制顶板漏水问题，在距离顶板1 500 mm 的区域实施钻孔，孔间距为800 mm，钻孔的仰角均为12°，水平角有所不同，其中K1、K2 钻孔水平角为0，K3、K4 钻孔水平角分别为-13°及13°。K5～K7 主要用于控制工作面迎头漏水问题，在距离顶板2 000 mm 的区域实施钻孔，孔间距为800 mm，钻孔仰角均为0，水平角依次为-8°、0、8°。15402 巷道探放水钻孔布置参数详见表1。

表1 运输巷道探放水方案中钻孔布置情况Table 1 The layout of boreholes in the scheme of water exploration and drainage in transportation roadway

依据15402 巷道探放水方案，为确保巷道掘进安全，探放水钻孔超前保护距离、巷道允许掘进距离、帮距分别为40 m、30 m、16 m。

3 井下探放水施工及安全措施

（1）依照探放水方案，准备施工前必须对钻孔周边巷道的顶板、围岩情况进行详尽检查。在工作面迎头2 000 mm 的位置设立一排木桩，桩间距500 mm，确保木桩在顶板和底板之间支撑牢固。然后在木桩上设置挡板，以预防钻孔施工作业中发生突水，对人员、设备造成伤害。在距离工作面迎头40～50 m 的区域设置临时水槽，并配置排水设施，结合施工情况将水槽内的水排至采区水仓。

（2）钻机安装前必须对安装区域进行安全检查。钻机要求依照安装规范进行组装，确保钻机自身稳定性。钻机的停送电必须执行票证制度，钻孔作业前在孔口部位设置安全设施（如钻杆逆止阀、孔口管等），以确保施工安全。钻孔作业中出现异常，如水压猛增、煤壁片帮、煤壁松软等，立即中断作业，但钻杆不能取出，将异常问题解决后方可继续作业。如水压增大，可采用反压钻进技术进行作业，同时在钻机中增设防喷装置。

（3）探放水施工中，技术人员要立足现场进行指导，明确钻孔的布局及技术要求。钻孔作业前，依据水文地质资料计算积水区的水压大小，制定应对措施。

（4）钻孔作业中，详细记录必要的钻孔数据（如煤层厚度、钻孔深度等）。每钻10 m 或钻具更换时均要进行一次测量，记录相关数据。设瓦斯监测专职人员进行瓦斯浓度监测。若瓦斯浓度急剧增加，立刻停止钻孔作业，在场人员撤离至上风口区域，并采取瓦斯治理措施，瓦斯浓度降低后方可继续钻孔施工。钻孔过程中已经探到水，则立即对水压、水质、水量进行监测，并采取排水措施，避免对钻孔作业带来不便。钻孔设计时必须综合考虑巷道的排水能力。

（5）针对15402 巷道探放水施工作业制定针对性的应急预案，对可能突发的事件进行分析并制定相应的应急措施。

4 15402 巷道探放水效果分析

4.1 探放水总量统计

通过对探放水钻孔过程中的数据统计，探放水总水量时间变化曲线如图2 所示。从图2 可知，15402 巷道工作面经过探放水钻孔施工后，探放水总量12 万m3。探放水初始阶段，钻孔数量较少并且钻孔不通畅，因此排水量变化不明显。随着钻孔数量的增加及钻孔堵塞问题的消除，排水量呈现迅速增长的趋势。经过进30 d 的排水，放水量趋于稳定，该巷道顶板上部区域采空区积水基本排除完毕。

图2 探放水总水量随时间的变化曲线Fig.2 Variation curve of total water discharge with time in the process of water exploration and drainage

4.2 钻孔水压效果评价

以K6 探放水钻孔为例，分析该钻孔随着时间推移的变化情况，如图3 所示。由图3 可知，K6探放水钻孔初始阶段水压约1.6 MPa，经过8 d 的放水，水压降到1.36 MPa。之后的探放水期间出现一定的水压波动，但总体呈现下降趋势。

图3 K6 探放水钻孔水压随时间的变化情况Fig.3 Variation of water pressure of No.K6 water exploration and drainage borehole with time

监测过程中发现K6 钻孔水压峰值为1.65 MPa，后期分析导致该情况的发生原因主要有：测量误差；邻近钻孔堵塞造成K6 钻孔水压局部升高；巷道顶板上部采空区积水水压自身不稳定等。

在26 d 后的多次水压测量中，K6 钻孔水压基本位于1.36 MPa 左右，说明经过一段时间的探放水，15402 巷道顶板采空区的水压处于相对稳定状态，为巷道掘进奠定了基础。

5 结 语

开元矿15402 巷道顶板存在采空区积水，导致巷道掘进过程中出现顶板漏水现象，威胁巷道安全掘进，影响施工进度。针对这一问题进行分析研究，决定对15402 巷道顶板上方采空区积水进行探放。根据开元矿15402 巷道实际状况，制定了探放水作业方案，并对施工作业中的注意事项进行阐述。探放水方案实施后，根据放水量和探放水钻孔水压监测数据表明，探放水作业达到预期的效果，探放水总量12 万m3，巷道漏水现象显著减少，为巷道安全掘进奠定了基础。