增子坊煤矿5305 回采工作面超前探放水设计

刘伟杰

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 朔州 038300）

矿井水害是煤矿井下“五大灾害”之一，虽发生频率不是很高，但造成的危害不容忽视。国内外煤矿发生水害事故的时有发生，故水害严重的矿井应做好防治水工作[1-4]。采掘工程施工前进行超前探放水是最常用且效果显著的措施，具体的探测方法较多，技术体系日渐完善成熟[5-9]。

1 概况

朔煤铁峰煤业增子坊矿8#煤层303 盘区5305 回采工作面为二叠系山西组，位于303 盘区中部，南起盘区辅运大巷，北到虎山线保护煤柱，东、西两侧均为实体煤。大致为一不对称背斜构造，地层中南部高两边低，相对高差大约20 m，地层倾角0°～7°，平均3°左右，断层附近可达8°以上，裂隙发育。煤层总厚 （含夹石）5.78～4.14 m，平均4.57 m，煤层较稳定。顶板岩性：直接顶为深灰色、灰褐色砂质泥岩，近均一结构，断口贝壳状，含植物化石，松软，岩芯较破碎，波状或交错层理，厚6.70 m；老顶为深灰- 灰黑色砂质泥岩，局部与细砂岩互层，含少量植物化石和5#煤层，总厚30.9 m。5305 工作面长度为836 m，从8#层皮带巷开始向北西方向掘进。巷道规格为5.0 m×3.3 m，断面16.5 m2。支护形式为顶板锚网加锚索，煤帮为锚网。巷道掘进方式采用机组割煤掘进。工作面巷道掘进至132 m 处遇落差7.50 m 的正断层。

8#煤层5305 工作面水文地质条件中等，地面全部为黄土覆盖，在雨季受大气降水影响，低洼区易形成积水，存在几处富水区，多处煤壁及支架有渗水现象。上覆为5#煤层采空区，在工作面尾部切巷附近低洼区有积水，积水量约0.45 万m3，在裂隙发育或断裂处涌水明显增大，超过30 m3/h。由于5#—8#煤层为近距离煤层（层间距12～15 m），为确保安全，在掘进时严格执行“有掘必探，先探后掘”，提前对上覆5#煤层采空区进行探放水，安排排水设备，及时排除工作面积水，如图1 所示。

图1 5305 巷平面布置

为了探查掘进前方裂隙涌水的位置和范围，确保采掘安全，结合增子坊矿地质及水文地质条件和相关规定进行设计。为使探测与生产互不干扰，井下超前钻探利用检修班时间，在工作面支护完好的情况下，在掘进巷道迎头施工探测，不容许在巷道侧帮开掘钻场进行施工，如图2 所示。

图2 平面测点施工

2 井下物探

为确保煤矿安全生产，在巷道掘进过程中，需要进行井下物探设计，以便准确探明富水区的所处位置和范围大小。

2.1 瞬变电磁法超前物探

采用瞬变电磁法、重叠回线组合装置进行超前探查，根据操作规程和矿井所配备仪器的自身特点选择合适的施工方法，保证数据采集的可靠性。瞬变电磁施工工作量不小于33 个物理点。

水平方向的探测点选在工作面迎头位置，数量为11 个，每0.5 m 进行一组探测，如图2 所示。

竖直方向的探测点布置三个方向，分别为水平、向上20°～30°、向下20°～30°，具体倾角视煤层厚度确定，如图3 所示。

图3 竖直测点施工

施工时需确认周围环境安全，要求掘进机最前端与迎头煤壁的距离大于20 m，且该区域范围内巷道无积水，掘进机机组断电。在迎头位置及10 m 处摆设好发射线圈和接收线圈的位置及角度，连接主机后设置参数及日期，经调试保证试采数据质量良好后，正式采集水平方向、向上20°～30°、向下20°～30°的数据。

2.2 直流电法

工作面掘进过程中，每70 m 采用直流电流探测一次，每次物探距离为100 m，留设30 m 安全距离。采用矿井直流电法对掘进巷道进行超前探查，应用三极法装置，探测深度随同一测点上电极距的增大而变大，得到沿水平方向上的观测数据。采用A、M、N 三极测深装置，5～10 倍的探测距离处放置电极B，供电电极A 位置固定，测量电极M、N 保持移动，由近及远，记录相应数据，如图4所示。

图4 直流电法施工装置

在距迎头550 m 处布置无穷远电极，将电极钉入岩性底板，并浇适量水，保证接触良好。距迎头14 m 处开始，依次布置供电电极A1、A2、A3 以及测量电极M、N，间距均为4 m，要求接触良好，必要时可浇适量水。连接主机，试采数据质量良好后，依次采集A1、A2、A3 的电压、电流值；然后将M 电极拔出，向后移动8 m，依次采集A1、A2、A3的电压、电流值；将N 电极拔出，向后移动8 m，继续依次采集A1、A2、A3 的电压、电流值。以此类推，直至采集够30 组数据。

3 超前钻探设计

为了探查掘进前方裂隙涌水的位置和范围，确保采掘安全，进行超前钻探设计。

3.1 超前钻探

依据煤层厚度和机掘巷道特点，使用ZYJ-380/210 型架柱式钻机，钻进深度150 m，在回风巷施工。采用3 孔探测方法，即每组施工3 个钻孔（不包括探上覆采空区孔），正中一孔，左右各一孔与中孔夹角16°，单孔深度80 m，允许掘进50 m，留有30 m 安全距离。如果遇构造或其他条件变化，根据实际情况改变钻孔参数和数量，如表1、图5 所示。

表1 超前探设计施工钻孔参数

图5 超前探查钻孔平面/剖面/断面

钻孔最下层开孔高度为距底板1.2～1.5 m，如巷道留有煤底，则根据煤底厚度下调钻孔角度，原则是最下层钻孔的终孔位置距煤层底板不超过1.5 m。钻孔在施工中，如因地质构造煤岩层松软糊钻、卡钻等，未达到设计深度时，应根据本组探孔中最短的一孔，留足30 m 安全距离后，确定允许掘进进尺。

3.2 探测上覆采空区积水设计

根据8305 工作面5#—8#煤层层间距较小（12～15 m 左右）的情况，决定利用掘进过程中的“有掘必探”，提前对上覆5#煤层采空区积水进行探放。探放水孔与“有掘必探”钻孔同时进行，每隔50 m 向上探一孔，孔深83 m。正常区域按一孔探测，位置在工作面迎头，钻孔方位330°，与巷道设计坡度夹角16°，探通5#煤层为止；接近探水线则再增加一孔，钻孔方位300°，其它参数不变。

因工作面为一不对称背斜构造，巷道大部分为下山掘进，在巷道掘进至820 m 处 （警戒线附近），钻孔开孔后6 m 必须先安好孔口管（孔口管长度不低于2.5 m）和控制阀门，并经打压试验，确认牢固后，方可继续钻进。钻孔结束后，如无水要及时关闭阀门或封孔，如有水，则在退出钻杆后及时关闭阀门，然后连接水管，将水导入水仓，再通过水泵排出巷外。钻孔探通后，要由瓦斯员进行瓦斯检查，确认无有害气体后，方可进行退钻杆工作，钻杆退出后要及时封孔。结合实际情况对照分析钻探、物探结果，如有异常情况，增加钻探、物探次数。

3.3 钻孔封堵

（1）抄手木楔+水泥法

上部抄手式木楔，下部用水泥砂浆进行封孔，如图6 所示。封堵后确保钻孔不漏风、不漏水，无有害气体泄漏，并由瓦斯员现场检查确认。木楔直径根据钻孔直径而定，但略小于孔径5 mm 左右，能使其顺利进入孔内，但不宜太小。

图6 钻孔封口

（2）水泥注浆泵封孔法

采用水泥注浆泵，将搅拌好的水泥砂浆注入钻孔内，进行全孔封堵。封孔泵型号为BFZ-10/1、2 （2.4） 型矿用注浆封孔泵，水泥砂浆比例为1∶0.4（沙∶水泥）。

此法有以下优点： 可同时搅拌和输送高稠度水泥浆； 无需扩孔，只需将注浆管在孔口固定即可；采用高稠度水泥浆，具有不收缩性，能保证其严密性，提高封孔质量；封孔长度一般不小于孔深的1/3。如遇煤岩层层理、节理较发育时，可进行全孔封堵。

3.4 排水

（1）排水路线

8#煤层5305 巷→中央水仓→主斜井→地面污水处理厂。

（2）排水设施

巷道铺设108 mm 排水管路各一趟，安设45千瓦以上水泵两台。根据巷道起伏，在巷道低洼区域构筑临时水仓。排水泵及排水管随工作面的掘进不断前移，工作面积水由潜水泵排至临时水泵窝。

4 结语

铁峰煤业增子坊煤矿5305 工作面在施工中遇到了较严重的裂隙涌水问题，为了防止事故发生，采用瞬变电磁法和直流电法对巷道进行超前探测，施工超前钻孔进行探放水，并提出了封孔和排水措施，有效地控制了巷道的涌水量，尤其是经过裂隙区域时没有受到水患的影响，为防治水工作提供参考。