风巷探放采空区积水钻孔的设计、施工与效果

朱 立

（山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 忻州 036700）

据统计，采空区突水占到矿井水害事故的30%以上，且采空区突水具有强度大，时间短，破坏性强等特点[1-3]。 巷道掘进过程中根据采空区赋存情况采取针对性的探放水措施，对确保巷道掘进安全具有重要意义[4-6]。 潞宁矿煤田水文地质复杂，矿井开采时涌水量在152.4～453.2 m3/h，正常涌出量286.5 m3/h。制约矿井生产安全的水害主要为地面水、 覆岩裂隙水、底板承压水，以及采空区积水等。 其中煤层底板奥灰水水头标高为+890 m，矿井开采的2 号煤层底板突水系数在0～0.518 MPa/m， 矿井在生产过程中遵循“有掘必探、先掘后探、先治后采”方针，避免了水害对矿井生产影响。

1 工程概况

潞宁煤业矿井22122 风巷位于井田二二采区下部，其上部为22118 回采工作面采空区，层间距12 m， 22122 工作面开采的2#煤厚在3.5 m， 倾角2°～4°，采面底板最大突水系数在0.016 5 MPa/m，煤层与底板承压水含水层间有效隔水层厚度在75 m，在无大型地质构造导水情况下， 巷道掘进及采面回采较为安全。 2#煤上覆灰岩（L1、L4及K2）裂隙水是巷道掘进过程中主要的涌水水源，正常情况下掘进工作面会有少许裂隙水淋出，对正常掘进影响较小。

22122 风巷上部为2#煤22118 工作面采空区。预计采空区内积水面积约为1.8 万m2， 积水量在1.6 万m3，积水标高在+856～+872 m，水头压力最大为0.16 MPa。 该采空区地质构造较为复杂，预计22118 工作面采空区内积水会对22122 风巷掘进带来不利影响。 22122 风巷与22118 工作面采空区位置关系见图1。

图1 22122 风巷与22118 工作面采空区位置关系

2 风巷掘进探放水钻孔设计

2.1 预计放水量确定

（1）钻孔正常涌水量QB计算

钻孔正常涌水量QB可通过式（1）计算[7]：

式中：n 为钻孔出水系数；q 为单位放水流量， 通过式（2）计算[8]：

式中：q 为单位放水流量（m3/h）；C 为流量系数（取值0.6～0.7）；W 为探放水钻孔面积（钻孔孔径取值为65 mm）；g 为重量加速度（9.9 m/s2）；H 为工作面采空区积水高度（采高的40%～50%， 即为3.5 m×50%=1.75 m）。

通过式（2）计算求得

q=0.348 m3/min=21.18 m3/h。

由于钻孔排放过程中水头压力会逐渐降低、杂物堵塞钻孔等影响，钻孔出水系数n 取值为0.7，最终确定的排放水钻孔单位放水流量QB=q×n=21.18×0.7=14.83 m3/h。

（2）排放水管路管径及趟数

在22122 风巷内布置的排放水管路管径可以采用式（3）计算[8]：

式中：VP表示排放管路经济流速（取值1.5 ～2.2 m/s），通过计算求得：dP=49.15 mm。在22122 风巷内布置一趟4 寸管路即可满足巷道采空区排放水需要。

2.2 探放水钻孔布置设计

（1）探放水设备

在22122 风巷内探放水施工采用1 台ZLJ-650型液压回转钻机， 在巷道低洼位置布置临时水泵房，采用两台22 kW 水泵（每台排水量40 m3/h，扬程80 m）进行排水，一台工作，一台备用。 探放水钻机钻杆直径为Φ42 mm， 配备Φ65 mm 金刚石钻头，开孔采用Φ153 mm 金刚石钻头。

（2）探放水钻孔布置

预计临近的22118 采空区水位标高在+856～+872 m，为了确保22122 风巷的掘进安全，临近采空区内水头压力应控制在0.05 MPa 以内， 因此巷道的探放水一次探测距离超前迎头30 m。

根据22118 底板标高及水文资料分析，决定在22122 风巷距离联巷口8 m、169 m、566 m、751 m、1 008 m、1 410 m 六处对22118 采空区进行探测工作，具体钻孔参数见表1。

表1 探放水钻孔施工参数

（3）钻孔施工方案

①钻孔开孔

钻孔首先用153 mm 金刚石钻头钻进10.2 m后，下入Φ108 mm 套管10 m 作为孔口管，用封孔材料封闭套管外的环状间隙。 孔口管外端安装法兰盘，闸阀孔口管的埋设要按设计的孔位和钻孔倾角进行埋设。

②孔口管（套管）固管

将套管下入孔内规定的深度， 钻杆下入孔底，将无机磷酸盐高铝高强泥浆材料注入套管外的环状间隙，至孔口返出封孔材料。凝固后，必须进行耐压试验，预测最大放水水压为0.03 MPa，打压值要求为预计放水水压的1.5 倍。 打压值达到0.045 MPa，30分钟后，套管周围没有漏水现象，说明符合要求，否则需重新加固。 待耐压试验完成后安装止水阀，然后方可用Φ65 mm 钻头继续钻进至采空区。

根据探放水钻孔设计，由地测科技术人员在工作面标定开口位置和方位角。 探放水队负责现场施工，在平台上摆设好钻机，保证钻机打设稳定可靠；调整钻机，使钻杆方位角和仰角与设计一致，并对准开口位置，用手动葫芦、钢丝绳环子固定钻机，并用垫木和木楔将钻机顶柱两端等部位加固，确保稳固。

2.3 施工现场安全管理措施

（1）打钻作业前必须提前在打钻作业现场准备一定数量的与钻孔孔径相符的木楔子、 湿毛巾、棉布、黄土、黄沙、水泥等应急封堵钻孔的、材料，打钻过程中一旦发现有害气体异常涌出，应及时封堵钻孔，否则严禁进行打钻作业。

（2）施工现场供水管路不得小于Φ108 mm，并确保流量≥0.8 m3/min、 水压≥0.5 MPa， 三通、阀门、高压软管等附件齐全可靠。

（3）打钻所需的电气设备应布置于打钻地点的上风侧；必须布置于下风侧时，打钻前要进行严格的防爆检查，杜绝电气设备失爆。

（4）打钻作业地点必须保证风量充足，风速不低于0.3 m/s。

（5） 作业地点附近20 m 范围内必须安设专用电话，电话要随作业点移动而移动，以便于发生异常时及时联系。

（6）钻孔完成后，排水钻孔及时安设“U”型返水管进行放水，U 型高度不小于0.5 m，防止有害气体大量涌出。

（7）放水完毕的钻孔必须经过地测科验收，确定钻孔的留设与封堵，需要封堵的要拆除钻孔内封孔管，并用水泥砂浆进行彻底全孔封堵。

3 钻孔探放水成果分析

从2018年7月～2019年6月， 在22122 风巷内共施工6 个探放水钻孔。 探放水钻孔钻探情况见表2。

表2 探放钻孔参数

其中1、2、3、5 号钻孔打通采空区后无水涌出；4 号钻孔钻进至采空区时有水涌出，涌水量约在40 m3/min，孔口的压力表显示水压为0.065 MPa。 根据4 号探放水钻孔水压，可推测出采空区内水位标高在+875 m，截止到2019年2月，4 号探放水钻孔共计排放水量在5 934 m3。 巷道掘进至最低点位置时，施工6 号钻孔， 初期钻进至采空区内时涌出量约为22 m3/min，最终单孔排放水量在3 026 m3。在22122 风巷，4 和6 号钻孔共计排放22118 采空区水量为8 960 m3，根据2 号煤层底板等高线标高以及采空区内积水上限标高， 推断出22118 采空区内积水面积共计5 563 m2。

4 结语

1）根据22122 风巷及临近的22118 采面采空区的地质条件，在风巷掘进过程中布置6 个采空区探放水钻孔进行疏排，其中2 个出水钻孔共计疏排采空区内积水8 960 m3，通过疏排避免了巷道掘进过程中采空区突水可能，确保了巷道安全掘进。

2）采用理论分析方法确定了巷道排水管路，设计的排水管路可以确保采空区内疏排水工作正常进行。