低位岩巷穿层探放技术在采空区水害治理中的应用

薛峰峰

(郑州煤炭工业(集团)杨河煤业有限公司，河南 新密 452382)

0 引言

裴沟煤矿1958年10月由武汉煤矿设计院设计，1960年8月建井，1966年3月正式投产，主采山西组二1煤。31131(综)工作面位于31采区下部，于2013年3月11日开始回采，至2014年12月25日回采结束。工作面回采期间切巷中下段舍帮存在顶板砂岩水，沿采动裂隙渗入工作面内，出水点较分散，随切巷回采推进向前移动，总涌水量维持在60～80 m3/h，回采时在切巷用埋线管汇水引入运输巷水沟内，中联巷以里段集中装入运输巷10寸排水管内自流排出至运输巷口，中联巷以外段剩余少量顶板水汇入运输巷水沟内自流排出至底抽巷，排水管和水沟在回采时留设在采空区内，回采结束后在运输巷和底抽巷密闭排水管自流排出，根据长年观测，总涌水量基本维持稳定。工作面采空区内存在2处老空积水区，分别为停采线附近靠近运输巷处和运输巷废弃沉淀池处。积水面积5 377 m2、积水量5 507 m3。由于31采区采用分段跳采的开采方式，下部回采工作面易受上部已采工作面采空区积水威胁[1-3]，因此治理老空水对矿井安全生产具有重要意义。

1 31131工作面其余采空区积水情况

根据长年运输巷和底抽巷2处密闭水量观测情况，工作面回采结束后和回采期间总水量基本不变，一直维持在60～80 m3/h，表明31131工作面采空区补给水源为动水，运输巷留设的排水管和水沟基本将顶板水全部汇入并自流排出。31131工作面整体地势为东高西低、北高南低，不存在储水环境，31131回风巷密闭无水、底抽巷密闭墙体干燥，表明采空区内不存在大面积老空积水，即使在局部低洼处可能存在少量空隙积水，也只在靠近运输巷附近集聚，其水量和水压也不影响采空区内巷道掘进。31131回风巷北部原煤煤柱阻隔北部顶板淋水向采空区内渗入，无外部水源补给31131工作面采空区，31171回风巷底抽巷在31131工作面采空区下部L7-8灰岩中掘进，巷顶上距二1号煤底法向距离为10.0～18.2 m，巷道内无采空区水渗入现象。

因此，31131(综)工作面在运输巷附近局部低洼处可能存在少量空隙水，其他地段不存在大面积高水压老空积水。31131(综)工作面在停采线附近和废弃沉淀池存在2处积水区，运输巷附近局部低洼处可能存在少量空隙水，对南部31151回风巷掘进施工有一定影响。

2 探放老空水方案设计

2.1 探放老空水方案选择

常规探放老空水钻孔一般布置在煤巷掘进迎头施工，这种方法不仅影响巷道掘进，而且探出水后对排水系统破坏较大[4-6]，一旦水量较大时需要长时间疏放，对采掘工程接续形成很大制约，并且可能因煤墙隔水性能差导致煤墙垮塌，仍存在着严重危害。低位岩巷穿层探放水钻孔是指在下部岩巷对上部采空区超前施工穿层探放水钻孔并进行疏放。这种方法的施行，不仅延长了采空区水疏放的时间，能够将其疏放干净，而且岩巷排水系统远远优于煤巷，大大减轻了掘进巷道的排水压力，从而实现免停头掘进，极大程度加快了巷道施工进度[7-9]。

31151(综)工作面布置在31131(综)工作面南部，在31131(综)采空区下部布置有31171回风巷底抽巷，利用31171回风巷底抽巷对31131工作面采空区施工超前探放水工程，能够很好地对31131采空区积水进行超前探放，实现31151回风巷外段和31151回风巷里段(中联巷以外)免停头掘进，有效保证巷道的掘进安全。

2.2 低位岩巷穿层探放老空水钻探设计

2.2.1 设计参数

31131(综)工作面运输巷附近局部低洼处可能存在少量空隙水，探放水钻孔孔口承受水头值为终孔标高与孔口标高差值，经计算，31151回风巷掘进迎头承受水头值为0～21.1 m。在31171回风巷底抽巷施工探放水钻孔时孔口承受水头值为13.3～46.5 m，换算水压值Pmax>0.1 MPa。

2.2.2 钻场、钻孔布置

31151回风巷外段和里段(中联巷以外)探放水钻孔设计在31171回风巷底抽巷，在平面和剖面上呈扇形或半扇形布置，其中高孔终孔位置为穿过煤层原始顶板2 m以上的钻孔。

31151回风巷外段：针对31151回风巷外段掘进范围内的采空区探放水钻场布置在31171回风巷底抽巷北帮，设计10个钻场，除1号钻场外其余相邻钻场平距设计为60 m，回次编号自西向东依次排序。每个钻场初步设计4～7个方位，每个方位初步设计2～3个钻孔，钻孔平距为47～100 m，单个钻孔施工时套管口连接水闸阀，可以对疏放水量进行控制。

31151回风巷里段(中联巷以外)：针对31151回风巷里段(中联巷以外)掘进范围内的采空区探放水钻场布置在31171回风巷底抽巷巷道内，初步设计16个回次，相邻回次钻场平距设计为30 m，回次编号自西向东依次排序。每个回次初步设计2～4个方位，每个方位初步设计2～3个钻孔，钻孔平距为37～75 m，单个钻孔施工时套管口连接水闸阀，可以对疏放水量进行控制。

2.2.3 钻探设备

ZYWL-3200煤矿用履带式全液压钻机具有移动性强、扭矩大、操作性强等优点，适合在31171回风巷底抽巷巷道内应用施工。ZY-2300型全液压钻机具有体积小、支撑稳、操控性强等优点，适合在31171回风巷底抽巷钻场内应用施工。φ63 mm钻杆较φ50 mm钻杆强度和设计钻进进尺更高，适合与所选2种钻机配套使用。φ94 mm钻头相比φ75 mm钻头孔径更大，有利于疏放。

2.2.4 止水套管长度和固结方法

在31171回风巷底抽巷施工探放水钻孔时，P为0.133～0.465 MPa，均为0.1

3 钻探施工

3.1 钻场优化

31151回风巷外段探放水钻孔布置在31171回风巷底抽巷北帮钻场内，共设计10个钻场。其中现有2个，需再新做8个。实际钻场施工过程中，由于运输、岩性、巷道坡度等原因限制导致施工难度大，因此将第4回次钻孔调整至第5回次钻场内并增加1个钻孔方位，将第8回次钻孔调整至第9回次钻场内并增加1个钻孔方位，钻场布置得到了优化，相邻钻场合并施工最大程度提高了单钻场的利用率。

3.2 钻孔优化

31151回风巷里段(中联巷以外)探放水钻孔布置在31171回风巷底抽巷巷道内，第3回次由于现场条件限制未能按原设计施工。因此将第3回次施工地点调整至第4回次位置处并采用短孔布置，第4回次钻孔调整至第5回次处并采用长短孔布置，第5及之后回次钻孔依次向东调整至下一回次位置并采用长孔布置。长孔的优点是控制采空区范围大、有效进尺长，缺点是钻孔方位与巷道方位夹角小、开孔难度大；短孔的优点是夹角大、易开孔，缺点是控制采空区范围小、有效进尺短[10-12]。根据现场试验，长孔利大于弊，开孔难的解决方案为巷帮开孔处用风镐、手镐等掏槽。

3.3 优化效果

钻场的减少有利于成本控制，提高了单钻场利用率且节省了施工时间成本；钻孔的优化和开孔难的解决方案有利于提高单孔有效进尺，提高了钻孔控制采空区范围，达到消除钻孔空白区和精准疏放的效果。优化后的设计较原来的设计更具有操作性，对于试验和实际钻探的效果验证更有利。

3.4 钻探有效进尺试验

3.4.1 31151回风巷外段钻探有效进尺试验

在31171回风巷底抽巷北帮钻场内布置对31151回风巷外段的穿层探放水钻孔，其中单孔岩巷段因未进入采空区故为无效进尺，进入煤层或采空区段为有效进尺，如图1所示。有效进尺控制的采空区范围为探放目的层，在钻场内施工的钻孔相互交叉叠加能够增加有效控制范围。

图1 31151回风巷外段有效进尺示意Fig.1 Effective footage of outer section of 31151 return air roadway

控制巷道北帮帮距30 m的钻孔设计为长孔，控制巷道的钻孔设计为短孔，相邻长孔间、相邻短孔间的终孔间距为30 m，长短孔结合施工有效进尺共控制巷道42 m平距范围，即北帮向北30 m、南帮向南8 m和巷道宽度4 m。根据现场试验，单回次钻孔能够控制巷道范围全部空区，相邻回次钻孔的长短孔相叠加达到相互验证和有效消除空白区的效果。

3.4.2 31151回风巷里段有效进尺试验

在31171回风巷底抽巷巷道内布置对31151回风巷里段(中联巷以外)的穿层探放水钻孔，其中单孔岩巷段因未进入采空区故为无效进尺，进入煤层或采空区段为有效进尺，如图2所示。有效进尺控制的采空区范围为探放目的层，在巷道内施工的钻孔相互顺序叠加能够增加有效控制范围。

图2 31151回风巷里段有效进尺示意Fig.2 Effective footage of inner section of 31151 return air roadway

控制巷道北帮帮距30 m的钻孔设计为长孔，控制巷道的钻孔设计为短孔，相邻长孔间、相邻短孔间的终孔间距为30 m，长短孔结合施工有效进尺共控制巷道37 m平距范围，即北帮向北30 m、南帮向南3 m和巷道宽度4 m。根据现场试验，单回次钻孔能够控制巷道范围全部空区，相邻回次钻孔的长短孔相叠加达到相互验证和有效消除空白区的效果。

3.5 钻探施工情况

31151回风巷累计施工252个低位岩巷穿层探放水钻孔，总进尺为18 802 m，下设φ108 mm套管1 512 m，施工钻孔大部无水，个别钻孔释放有少量空区水。经过探放水工程的施工查明了采空区积水情况，消除了原有积水区，减少了矿井老空积水面积5 377 m2、积水量5 507 m3。

3.6 低位岩巷穿层探放老空水效果验证

根据现有技术和条件，采用瞬变电磁超前物探方法对钻探效果进行验证。根据物探结果显示物探成果与钻探结果一致，验证了钻探结果的准确性，巷道掘进后实揭地质及水文地质情况对钻探、物探结果进一步验证，三者在很大程度上达到了一致性，表明低位岩巷穿层探放水技术在采空区水害治理中的应用具有很强的操作性。

4 结语

低位岩巷穿层探放水的施工一方面实现了采空区煤巷掘进期间的零影响，相较于煤巷迎头探放水节省了约2个月的时间成本，在一定程度上减缓了采掘接续紧张的局面。另一方面，实现了钻探控制范围远远超前掘进工程，岩巷排水系统的优化，减少了煤巷误揭积水区导致淹工作面的可能，有效节省了灾害治理成本，创造了较高的经济效益，可以为相似条件的矿井提供较高的参考价值。