康 濤

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 安全監(jiān)察中心，山西 孝義 032300)

隨著開采強(qiáng)度不斷增加，淺部賦存條件較好的煤巖資源儲量基本開采殆盡，礦井逐漸向深部區(qū)域開采[1-2]。深部區(qū)域煤炭開采時，受地下水影響更為明顯，地下水會導(dǎo)致巷道圍巖變形加劇，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)淹井事故，因此對礦井涌水進(jìn)行治理成為煤炭回采時需要重點(diǎn)解決的問題[3-6]。山西某礦5605運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)頂板淋水問題，淋水量平均在6.3 m3/h，同時巷道底板出現(xiàn)一定積水、頂板及巷幫出現(xiàn)較大變形。為此，探明5605運(yùn)輸巷頂板涌水原因并針對性采取防治水措施對確保巷道掘進(jìn)安全具有重要意義。

1 工程概況

山西某礦開采區(qū)域內(nèi)有3號、5號、6號、9號以及11號等煤層，現(xiàn)開采主要集中在6號煤層。6號煤層厚度平均3.03 m、埋深530 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，中間夾雜有一層厚度0.2 m泥巖矸石。5605運(yùn)輸巷位于5采區(qū)，沿著6號煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度1 510 m，矩形斷面，凈寬、凈高分別為5.0 m、3.0 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式。6號煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、石灰?guī)r以及細(xì)砂巖為主，具體地層情況如圖1所示。

圖1 6號煤層地層柱狀

5605運(yùn)輸巷采用EBZ260綜掘機(jī)，巷道掘進(jìn)至650 m時頂板淋水開始增加，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頂板淋水量介于3.5～9.1 m3/h，均值為6.3 m3/h，同時巷道底板存在一定積水。在淋水影響下，巷道頂板錨網(wǎng)索出現(xiàn)銹蝕，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)頂板懸頂問題，給巷道掘進(jìn)安全帶來較大威脅。具體5605運(yùn)輸巷頂板淋水巷道現(xiàn)場情況如圖2所示。

圖2 淋水段巷道現(xiàn)場

2 巷道頂板淋水原因分析

2.1 頂板巖層礦物成分分析

在5605運(yùn)輸巷頂板淋水較大取樣并采用X衍射儀對礦物成分進(jìn)行測試，具體現(xiàn)場取樣及測試結(jié)果如圖3所示。從測試結(jié)果看出，頂板巖層中礦物成分以高嶺石、石英以及黏土等為主，具體含量分別為58.7%、24.2%、15.6%.高嶺石以及粘土等遇水均會出現(xiàn)膨脹、軟化，同時孔隙較高。

圖3 頂板巖樣及成分

2.2 含水層及頂板淋水分析

5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)揭露的部分采空區(qū)、廢棄巷道內(nèi)存在一定積水，表明頂板巖層裂隙較為發(fā)育。在巷道掘進(jìn)過程中需要對采空區(qū)以及廢棄巷道內(nèi)進(jìn)行疏排水。

6號煤層頂板直接涌水水源為基本頂石灰?guī)r裂隙水及上方的砂巖含水層，6號煤層頂板含水層富水性較差，水力聯(lián)系較弱，一般情況下，對6號煤層回采影響不大。5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)至650 m時，頂板淋水量顯著增加的主要原因是此位置正處于區(qū)域背斜軸部，從而頂板含水層出現(xiàn)水集聚。6號煤層基本頂石灰?guī)r及其上覆砂巖含水層沿著頂板裂隙向5605運(yùn)輸巷滲出過程中，在水的作用下，頂板巖層弱化、產(chǎn)生新的裂隙，從而豐富導(dǎo)水通道。

頂板含水層水量局部集聚、頂板導(dǎo)水裂隙通道發(fā)育以及頂板巖層含有較多的高嶺石以及粘土等組分是導(dǎo)致5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中頂板淋水量較大的主要原因。通過對頂板含水層進(jìn)行定向疏排即可有效解決巷道頂板淋水問題[7]。

3 探放水鉆孔施工

為了徹底解決5605運(yùn)輸巷頂板淋水較大問題，提出綜合使用定向長鉆孔、短距離探放鉆孔對頂板含水層進(jìn)行疏排。

3.1 定向長鉆孔

5605運(yùn)輸巷頂板淋水水源主要為基本頂上覆砂巖含水層，為此設(shè)計(jì)的定向長鉆孔主要在層位內(nèi)。具體在5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭后方10 m位置，布置寬度8.0 m、深度6.5 m、高度3.0 m鉆場，在鉆場內(nèi)采用ZDY6000LD定向鉆機(jī)施工長度500～1 000 m定向探放水鉆孔；現(xiàn)場共計(jì)施工3個定向探放水鉆孔，水平投影位置分別位于掘進(jìn)迎頭、掘進(jìn)外輪廓線20 m位置；定向探放水鉆孔終孔高度位于頂板上方25 m位置。

具體鉆孔布置情況，如圖4所示。

圖4 定向長鉆孔布置示意

3.2 短距離探放水鉆孔

在5605運(yùn)輸巷迎頭使用ZY-750D鉆機(jī)，配合73 mm鉆頭、D63 mm×1 500 mm鉆桿施工短距離探放鉆孔。使用的ZY-750D鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力、額定功率分別為25 MPa、22 kW，可滿足現(xiàn)場探放水需要。

在5605運(yùn)輸巷迎頭布置2排探放水鉆孔，上排鉆孔用以對頂板富水體進(jìn)行探測、疏排；下排鉆孔用以對6號煤層中的富水體進(jìn)行探測、疏排。

上排探放水鉆孔(1號～5號)仰斜17°，開孔距離巷道底板2.5 m、間距均為700 mm，終孔位于頂板上方20 m處，用以對頂板裂隙水進(jìn)行探測及疏排；1號鉆孔垂直迎頭布置，2號、4號分別有10°偏移角，3號、5號分別有20°偏移角。

下排探放水鉆孔(6號～8號)仰角均為0°，開孔位于底板上方1.5 m處，鉆孔間距均為1 600 mm。6號鉆孔垂直掘進(jìn)迎頭布置，7號及8號鉆孔均有20°偏移角，具體鉆孔布置如圖5所示。施工的短距離探放鉆孔孔深均為60 m，探測一次允許掘進(jìn)40 m，預(yù)留20 m。

圖5 短距離探放水鉆孔

4 現(xiàn)場探放水效果分析

1) 在5605運(yùn)輸巷施工的長距離定向鉆孔耗時3個月完成鉆進(jìn)，鉆進(jìn)完成后累計(jì)疏排頂板含水層裂隙水約1.25萬m3，通過提前疏排降低5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中頂板裂隙水水頭壓力，降低頂板大規(guī)模涌水威脅。

2) 在5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中，每掘進(jìn)40 m布置1組短距離探放水鉆孔，對頂板裂隙水以及掘進(jìn)前方煤體內(nèi)積水進(jìn)行疏排。施工的短距離探放水鉆孔疏排水量共計(jì)5 360 m3，整體排水量較小，同時疏排水集中在巷道掘進(jìn)650～900 m范圍內(nèi)。

3) 5605運(yùn)輸巷通過定向長鉆孔、短距離探放水鉆孔對頂板裂隙水進(jìn)行疏排后，巷道掘進(jìn)后僅650～760 m范圍頂板有少量淋水，淋水量基本在0.3 m3/h以內(nèi)，其余范圍均未出現(xiàn)淋水。巷道支護(hù)體系銹蝕及頂板變形量較大問題也得以有效解決。

4 結(jié) 語

1) 5605運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中頂板出現(xiàn)大量淋水的主要原因是巷道掘進(jìn)進(jìn)入到區(qū)域背斜軸部，頂板含水層中積水量較大，通過掘進(jìn)裂隙以及頂板原有裂隙向掘進(jìn)空間涌出，從而導(dǎo)致頂板支護(hù)體系嚴(yán)重銹蝕、圍巖變形量較大。

2) 在5605運(yùn)輸巷內(nèi)，綜合使用定向長鉆孔、短距離疏排水鉆孔對巷道頂板上覆含水層積水進(jìn)行疏排，通過定向長鉆孔提前降低掘進(jìn)工作面前方頂板含水層積水，從而減少含水層水頭壓力以及后續(xù)短距離疏排水鉆孔疏排水壓力；通過短距離疏排水鉆孔進(jìn)一步對圍巖內(nèi)積水進(jìn)行疏排，可避免淋水給巷道掘進(jìn)影響。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用后，5605運(yùn)輸巷頂板淋水問題基本得以解決，巷道掘進(jìn)過程中僅局部位置頂板出現(xiàn)少量淋水，現(xiàn)場取得較好的探放水效果。