巷道超前钻探设计及安全技术分析

伦辛涛

（华北地质勘查局第四地质大队，河北 秦皇岛 066000）

综合机械化开采的应用需要适应的矿井地质条件，在地质条件复杂的区域，需要在开采前做好地质勘查工作，若对地质情况不了解，会对矿井开采效率造成很大的影响。在前期资源勘查中，由于传统地面钻孔钻探方式具有很大的局限性，使得井下物探结果具有多解性，这就需要在开采前实施超前钻探工作，了解地质条件和地质环境，为矿产开采提供有利于参考数据。对此，在开采工程中，要加大对超前钻探工序的重视程度，根据实际情况和工程特征，制定超前钻探设计方案，优化钻探方式和钻探流程，做好钻探中的安全技术措施，保证钻探过程的安全性和稳定性，顺利完成施工作业，发挥出超前钻探技术的价值和作用。在这样的环境背景下，探究巷道超前钻探设计及安全技术分析具有非常重要的现实意义。

1 工程概况

某矿采掘巷道设计长度为916m，整体巷道形状为矩形断面，矩形断面面积为4.0*3.5m。该巷道掘进后暴露出矿层，矿层厚度可达到7.02m，在前期掘进过程中，发现顶板出现淋水，工作人员利用电法进行工作面顶板探测，发现巷道掘进工作面前方掘进方位内存在顶板砂岩裂隙含水层富水区域，在巷道顶板上方4m 位置。由于该掘进区域的地质条件比较复杂，存在断层和大褶皱构造发育，而此时巷道顶板薄弱地方有发现岩层富水区域，一旦盲目掘进，顶板上方覆岩层的积水会随着岩层裂隙进入到巷道中，加剧顶板淋水，甚至会发生巷道涌水情况，影响施工安全和施工进度。对此，科学合理的巷道超前钻探设计方案十分关键，还要配以安全技术措施，改变复杂地质条件和巷道富水区域的影响，实现巷道安全掘进，保证施工顺利完成。

2 巷道超前钻探设计

2.1 钻探设备的选择

根据巷道施工条件和地质条件特征，在巷道掘进过程中，选择KHYD-425 型矿用专用钻机，配以型号为φ42mm 的三翼钻头，在实际钻探施工中，钻杆直径可达到60mm，设计方案中的钻孔深度控制在72m 左右。设备参数如表1 所示。

2.2 探水起点设定

在巷道超前钻探过程中，为了防止施工人员发生安全事故，在接近富水区域时，要将富水区域范围、水量和水位标注在采掘工程图纸上方，并在图纸上注明积水线、探水线，明确警戒线具体范围。

（1）标注积水线。在标注积水线时，按照小窑、老空下方最深区域进行划定，在该巷道施工中，结合地质勘测数据，积水线标高标记是+1207m。

（2）标注探水线。在标注探水线时，按照巷道掘进中的富水区域位置、范围进行划定，深入了解富水区域的水文地质条件，掌握施工巷道环境和受压破坏情况，综合考量。若无法明确巷道掘进时的富水区边界，可以根据具体的水文地质资料和图纸，把探水线划定在60m处。

（3）标注警戒线。在警戒线范围标注时，要按照探水线位置来标注警戒线范围，通常情况下，可以在巷道掘进中把探水线向外侧移动100m 左右，形成探水线。但是结合该巷道的地质条件和薄弱区域富水情况，以探水线向外移动80m 设定警戒线。

2.3 钻孔设计

（1）超前控制距离。在巷道超前控制距离设定中，计算公式为：，其中，a 代表超前距离；A 代表安全系数,取值为5 ；L 代表巷道宽度，取值为5.2m。代入已知数后，得到m。在实际掘进中，为了保证施工安全，需要增加保护距离，得到超前控制距离为：m。

（2）允许掘进距离。在巷道探水钻孔顺利完成施工后，工作人员要计算允许掘进距离，计算公式为：“最短钻孔水平投影长度- 超前保护距离= 允许掘进长度”。由于该巷道地质条件为中等水平，巷道掘进范围内存在很多断层破碎带，再加上岩层覆盖的裂隙含水层，增加了巷道钻探难度，综合考虑下，得到最大探水线长度可设置为70m，在超前控制距离：m 的前提下，代入公式得到允许掘进距离为45m。如图1 所示，为本巷道工程允许掘进范围施工示意图。

（3）计算帮距。在巷道超前钻探中，要预留出安全矿柱的位置和宽度，而帮距就是工作面上扇形探水钻孔外侧钻孔范围中和巷道巷帮的垂直距离。一般情况下，帮距要比超前控制距离小1～2m，如图1所示，本巷道工程帮钻探施工中的帮距可设置成24m。

（4）钻孔密度。在巷道超前钻探过程中，竖直扇形范围内钻孔终孔垂距要在1.5m 以内，而水平扇形范围内钻孔终孔水平距离要在3m 以内。

表1 KHYD-425 型矿用专用钻机参数标准

图1 本巷道工程允许掘进范围施工示意图

（5）钻孔布置。在巷道超前钻探过程中，以探测巷道上方断层破碎带积水和岩层覆盖的裂隙含水层裂隙水为主，将探水钻孔布设为半扇形结构，共布设四个钻孔，分别为1#、2#、3#、4#，如图1 所示，使其形成一个半扇形结构，覆盖在整个巷道掘进范围内。钻孔4#、2#、3# 依次排列，处于同一水平面上，钻孔4# 和钻孔2# 的间距为1000mm，钻孔2# 与钻孔3# 的间距为1000mm，距离底板2000 的位置，按照工作面倾斜角8°进行布设。1# 钻孔设置距离底板1500mm 的位置，垂直于工作面，且距离工作面2000mm。

2.4 钻孔施工

在钻孔施工中，距离底板1m 的位置设置两根锚杆，将锚杆间距控制为0.4m 左右，并通过铁丝固定好锚杆上方的钻机跑道前端位置，通过金属支架支撑钻机跑道后方，根据实际情况适当调整钻机方向，准确无误后就可固定连接。在钻进之前，施工人员可以在钻机传动机构涂抹一层润滑剂，并对钻机进行正反双向实验，检查钻机的运行状态，适当调整钻机钻头位置，保证钻机达到最佳的钻进状态。在实际钻探时，受到巷道环境影响，钻头很容易发生反水情况，作业人员可以缓慢连接离合器来开孔，待钻头深入到开采层后，立即收紧离合器进行钻进，四个钻孔达到预计深度后就可以停止钻进。

3 巷道超前钻探施工安全技术措施

3.1 掘进支护措施

在巷道超前钻探施工过程中，为了避免涌水或是突水的情况，保证施工人员的人身安全，要在工作面上方设置两排木柱，并在木柱上方用螺栓钉固定挡板，可以有效抵挡突水、涌水事故对巷道设备和施工人员的冲击。除此之外，施工人员要在安装区域的顶板位置设置支护设备，保证施工作业的顺利开展。

3.2 做好排水措施

（1）设置排水管路。巷道排水管道布设中，选择4 寸、6 寸的无缝钢管，分别设置在巷道以北与底板距离1300mm 的位置，每隔50m 的位置设置一个支管阀门，每隔100m 的位置设置一个闸阀，随着巷道掘进施工的开展，要保证排水设施的同步连接固结。同时，在掘进工作面范围内设置两台排水泵，配合排水管路作业，随着掘进工作面的拓展而跟进，一旦出现工作面涌水的情况，需要启动排水泵排出工作面的积水，特别是在突然涌水的情况下，可以两个排水泵同时启动，及时排除掘进工作面的积水。

（2）排水系统建设。巷道超前钻探中，可以利用巷道排水管排出工作面的积水，分别在三采区胶带巷内段与外段排水管进行共同布设，排水方向为“工作面——巷道内部——三采区胶带巷内段——三采区胶带巷外段——水仓”，在工作面低洼位置，设置临时水坑，设置排水泵排出集水坑中的积水。

3.3 制定专项施工安全方案

在巷道超前钻探前，要制定专项施工方案和施工安全措施，明确探水位置和钻孔参数，包括钻孔数量、钻孔深度、钻孔角度、具体位置等参数，根据巷道钻进情况和水文环境，制定施工安全措施，为施工人员和施工设备提供安全保障。

第一，在钻孔施工前，要安排专业技术人员到施工现场进行指导掘进过程，严格根据设计方案进行现场施工，保证施工质量。同时，为了避免放水过程中产生巨大的水压，造成安全事故，在探水钻孔过程中，作业人员可以在孔口位置设置孔口管和控制闸阀，防止突水或是涌水的情况，保证施工安全。

第二，钻孔施工过程中，若出现钻孔成型不良或是顶钻的情况，需要停止钻机的钻进，立即将情况上报给调度中心实施有效措施，一旦钻进过程中，水压超过可允许限值，可以在出水口位置安装防喷装置，通过这种反压措施达到稳定钻进的目的。

第三，在钻孔过程中要实施观测岩层变化情况，记录钻进后的岩层厚度，每钻进10m 就要检测一次钻孔深度，计算钻孔终孔距离位置和富水区距离，便于施工决策。同时，为了防止巷道钻进过程中出现一氧化碳等有害气体的泄露，可以在掘进工作面安装监测装置，定期对钻孔附近区域进行有害气体监测，一旦发现有害气体含量超出标准范围内，要立即组织作业人员撤离施工区域，加大通风设置的安装，及时排除有害气体，保证施工进度，避免不必要的人员伤亡。

第四，在钻进过程中，作业人员要详细记录水压、放水量和放水时间等，得到富水区剩余水量，在钻孔施工结束后，要及时封堵放水口，通过水泥浆封堵在钻孔中，封堵长度超过1m，在封堵完成后还要开展注压试验，提高封堵的牢固性和可靠性。同时，在钻进之前，项目负责人要组织施工人员进行安全知识的学习，发放安全资料，使得施工人员树立正确的安全意识，按照施工规范进行操作，熟悉和了解避灾路线和应急救援方案，一旦发生安全事故，可以及时做出自救逃生措施，保证施工人员的人身安全。

4 结语

综上所述，在巷道超前钻探施工中，要做好前期地质勘查工作，及时了解巷道地质环境和水文环境，明确巷道超前钻探施工的难点和重点，以此为依据，编制巷道超前钻探施工设计方案，选择合理的钻探设备，明确探水点，优化钻孔设计方案和施工工艺，并做好安全技术措施，保证巷道掘进工程的顺利开展。