掘进巷道超前钻探设计应用

司金文

（晋能控股煤业集团南河煤矿，山西 高平 048000）

晋能控股煤业集团南河煤矿15108运输顺槽位于井田一采区，巷道北部为井田边界留设保安煤柱，南部为三条采区大巷，东部为井田边界，西部为15106工作面采空区。

15108运输顺槽设计长度为1660 m，巷道设计断面规格宽×高为4.5 m×3.2 m，巷道掘进煤层为15号层，平均厚度为3.15 m。巷道伪顶主要以泥岩为主，平均厚度为0.4 m；直接顶主要以灰岩为主，平均厚度为2.5 m；基本顶主要以砂岩为主，平均厚度为11.2 m。15108运输顺槽采用综合机械化掘进工艺，截至目前巷道已掘进400 m。

根据《矿井水文地质类型划分报告》，我矿回采15号煤层，可导通至3号煤层采空区，通过报告分析得出矿井主要充水因素为大气降水、3号煤层采空区积水、石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层。为了保证巷道掘进安全，巷道掘进前期决定采用探放水施工，但是通过前期探放水施工效果来看，巷道探放水施工后顶板仍会出现局部淋水现象，威胁着巷道安全掘进。

1 巷道掘进前期探放水施工主要存在的问题

1）设计人员设计不合理：设计人员在对巷道进行探放水设计时，未能结合巷道的实际地质构造进行设计，导致设计的钻孔数量、深度及布置有误差，均未能取得良好的效果，给后期的掘进带来较大的安全隐患。

2）钻孔封孔工艺不合格：15108运输顺槽掘进的煤层属石炭系煤层，煤质较软且不稳定，给后期探放水的施工造成一定的影响。根据地质报告显示，15108运输顺槽的孔口往里14 m内会形成原岩应力区、卸压区、应力破坏区等，而前期巷道探放水的的封孔距离为9 m，封孔终孔位置位于应力破坏区内，会造成探放水孔内的水在水压的作用下流入孔口管以里的煤体，并且封口时的膨胀水泥不能有效填堵深度裂隙，导致封孔质量差。

3）采取的措施不合理：施工人员在进行探放水时，只是采用临时支护的方式在工作面头部施工一排单体柱，使得煤壁受水压及采动影响常常出现煤壁大面积垮落，造成顶板事故。

2 探放水设计优化

2.1 钻探设备选择

15108运输顺槽采用ZY-750D型液压钻机进行探水钻孔施工，配套长度为1.5 m，直径为63 mm中空钻杆，直径为75 mm导向钻头和直径为130 mm的扩孔钻头，钻机参数如表1所示。

表1 ZY-750D煤矿用全液压钻机及配套设备主要技术参数

2.2 钻孔布置

1）由于15108运输顺槽采用底板平行掘进方式，工作面钻孔以扇形的方式进行施工。施工人员为了确保巷道两侧的水不会对施工造成影响，在工作面上、下两排分别施工两排探放水孔，这样能够对巷道顶板及四周的积水进行探放。

2）每排布置三个探水钻孔，下排为迎头探水孔（1号-3号），上排为顶板探水孔（4号-6号）。每个钻孔深度为100 m，直径为75 mm，孔间距为1.0 m，排距为0.5 m。其中顶板探水孔仰角为12°，如图1所示。探水钻孔施工后巷道每掘进70 m进行一次探水钻孔施工，超前距为30 m。

图1 15108运输顺槽探水钻孔平、剖面示意图（mm）

2.3 钻孔封孔工艺优化

为了解决传统膨胀水泥封孔时出现的封孔牢固性差、放水时孔口管出现窜动等技术难题，决定采用两堵一注封孔工艺。

1）为了保证封孔质量，优化后封孔长度确定为12 m，采用导向钻头进行封孔段施工，施工长度为14 m，施工到位后更换为扩孔钻头进行扩孔施工，扩孔深度为14 m，扩孔后孔径为130 mm。

2）扩孔完成后首先在扩孔段安装孔口管，长度为12 m，然后在孔底及孔口处分别安装一个PKN型封孔器，使得孔口管与孔壁之间形成一个环形封堵空间，如图2所示。

图2 15108运输顺槽探水钻孔封孔示意图（mm）

3）采用注浆泵向环形封堵空间内高压注入XZFKL-I型化学注材料，注浆压力为1.5 MPa，注浆3 h后对封孔段进行注水耐压试验，注水压力为2.0 MPa，耐压试验合格后钻孔方可继续施工。

3 安全技术措施

3.1 钻场煤壁支护措施

为了避免在探放水期间顶板发生垮落影响施工人员的安全，施工人员采用玻璃钢带及锚杆对煤壁进行支护。

1）施工人员在每个钻孔的四周成“井”字型安装四根柔性玻璃钢带，其中横向安装的两根钢带的长度、宽度分别为2.5 m×0.15 m，且安装3根锚杆，纵向安装的两根钢带的长度、宽度设计为1.5 m×0.15 m，且安装2根锚杆，锚杆的间距控制在1 m，如图3所示。

图3 15108运输顺槽钻场煤壁支护平面示意图（mm）

2）在钻孔周围的顶板处施工8个深度为3 m的超前支护钻孔，钻孔之间的距离为0.5 m，待全部钻孔施工完毕后，施工人员依次向钻孔内安装长度为3.5 m的玻璃钢锚杆，并填充锚固剂进行锚固。

3）当顶板及煤壁支护完毕后，施工人员在煤壁前半米的位置施工一排单体柱，同时还需挖掘一处储水池。

3.2 其他安全技术措施

1）钻机与液压泵进行连通时，要关闭钻机控制阀及液压泵上的截止阀，钻机安装前要对周围浮煤进行清理。

2）施工人员在进行钻孔作业时，要把控好钻机的角度及压力，时刻专注钻机压力、钻孔回水量，发现钻机异常或出水量不稳定时及时停机。

3）在施工作业时钻机出现卡顿、钻杆出现弯曲时，施工人员要及时将钻机的离合器松开，对钻头进行观察，发现钻孔有磨损或崩片的情况及时更换钻头。

4）在探放水作业时还需安排有经验的瓦斯监测人员时刻对钻孔的瓦斯进行监测，同时工作人员还需配备便携式瓦检仪。

5）在掘进时要根据巷道的实际地质构造调整钻孔的布置，在保证安全探放水的同时对巷道所有的范围进行全方位探放水。

6）如钻孔内出现流水的情况时，工作人员要对该钻孔进行放水实验，同时对放水的压力、流量、水质进行检查。

7）施工作业前要对孔口管进行全面检查，确保各配件的完好性，防止水压过大影响后期作业，同时在水压较大的放水孔安装两套安全闸门。

8）在进行探放水前，施工人员要熟知巷道的避灾路线，同时在巷道周围挖掘一处水仓并留放备用水泵。

4 结语

截至2019年6月15108运输顺槽已掘进到位，通过对巷道探放水施工设计进行优化后，巷道在后期掘进中共计施工48个探放水钻孔，其中19个为湿孔，29个为干孔，给放水量为3217 m3，经验证上覆3号采空区积水已充分探放，巷道在后期掘进中顶板未出现淋水现象，基本消除了3号采空区技术水患影响，保证了巷道后期安全快速掘进，在应用效果上取得了显著成效。

（编辑：武倩倩）