郭庄煤业5301胶带巷掘进工作面长、短距离钻探技术的应用

赵永波

(山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100)

水文地质勘探是煤矿生产重要的基础性工作，可以为煤矿的生产与安全提供科学信息数据,是煤矿合理布置采掘活动的重要依据。运用水文地质勘探技术可以探明落差在5 m以上的断层、褶曲和直径为20 m以上的陷落柱，而且可靠率达到80%以上。但是对落差小于5 m的断层或直径小于20 m的陷落柱的解释存在不确定性或准确度很低[1]，往往成为采掘活动中最容易忽视的隐蔽致灾地质因素。针对这类勘探准确度较低但又可能存在的地质构造，需要采用超前钻孔综合探测，实现逐步排除落差小于5 m的断层[2]。郭庄煤业5301胶带巷掘进期间，分析可能存在矿井分界正断层的伴生断层，如出现无计划揭露，可能会因地质条件的突然变化而造成不同程度经济损失和伤亡事故。为此，我们提出采用长、短距离超前钻孔综合探测方案来排除隐蔽的小型正断层，为巷道的安全高效掘进提供可靠的地质数据。

1 工程概况

郭庄煤业5301工作面设计长度1 100 m(以藕泽正断层和DF01正断层的保护煤柱为界限)，面宽250 m，开采3号煤层，平均煤层厚度5.99 m，东临本矿井田边界、南临藕泽正断层和DF01正断层、西为实煤体、北为五采区系统巷。地面三维地震勘探资料显示，藕泽正断层为矿井分界断层，走向北50°东、倾向南东、倾角70°，最大落差94 m，全长约4.5 km左右。该断层由钻孔控制，已查明。DF01正断层，走向近东西向，倾向北、倾角50°、延伸长度近400 m、最大落差30 m，对工作面布置影响较大。

根据采掘任务安排，先行掘进5301胶带巷，5301胶带巷沿煤层底板掘进，巷道断面为矩形(净高3.5 m、净宽5 m)。查阅勘探资料，设计掘进长度范围内无明显地质异常区。但是根据相关工作经验判断，该工作面不排除存在伴生小断层和其它地质异常情况，为了最大程度地避免无计划揭露地质构造而带来的经济损失和伤亡事故，同时也为了避免资源的浪费和安全高效掘进，需要将隐蔽的地质构造超前探测清楚，必要时可以提前拐掘切眼。

2 超前探测技术方案

为了避免发生伴生地质构造的突然揭露而导致的经济损失和伤亡事故，现采用长钻孔对巷道前方的地质情况进行超前探测(排除落差大于2 m的正断层和陷落柱)，再利用掘进期间的超前探钻孔进行探测(排除落差大于1.5 m的正断层)，为了提高打钻效率，最后再利用每天的检修时间进行短探(排除落差大于0.5 m的正断层)。通过逐级探测，可以排除无计划揭露断层的可能性，为巷道的安全高效掘进提供了保障。

2.1 长距离钻孔施工

采用长钻孔的主要目的是超前长距离了解地质情况，超前排除落差大于2 m的隐蔽正断层和陷落柱。为了避免钻孔施工时影响巷道掘进，5301胶带巷掘进至500 m处，两帮间隔100 m施工1个钻场(钻场宽5 m、深度4.5 m、高3.2 m)，共计施工6个钻场。可实现对掘进范围全覆盖，每个钻场内布置2个钻孔，钻孔深度控制在120 m，具体钻场布置如图1所示，在巷道掘进期间每间隔100 m布置1个钻场。

图1 钻场及钻孔布置

钻孔设计角度以排除落差大于2 m的正断层和陷落柱为目的，具体设计参数如表1所示。

表1 长距离钻孔设计参数

施工完成后，对无异常出水的钻孔及时进行封堵或者与瓦斯管路进行并网处理。

2.2 短距离钻孔施工

5301胶带巷掘进期间严格按照“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，探放水钻孔施工期间严格按照设计进行，以60 m作为循环进尺，保留30 m安全距离，帮距不小于20 m,允许掘进30 m.钻孔施工时应根据现场煤层底板坡度、煤层倾角等变化情况及时对钻孔参数进行调整。具体设计参数如表2所示。

表2 短距离钻孔设计参数

利用超前探放水钻孔的钻探成果，可以更进一步排除落差大于1.5 m的正断层。

2.3 超短距离钻孔的施工

为了更进一步摸测清工作面前方是否存在伴生小断层，同时为了安全高效掘进，不再占用工作面生产时间，特利用每天的检修时段，在工作面用风动钻机打设两个20 m的超短钻孔，掘进工作面每天的正规循环进尺为10 m.因此，这两个20 m的钻孔既可以探测前方地质情况，又可以保留10 m的保护距离。若探测存在0.5～1.5 m的正断层时，可以利用10 m的保护距离作为巷道改变支护方式或掘进坡度的调整距离。具体施工参数如表3所示。

表3 超短距离钻孔设计参数

如图2所示，长距离钻孔存在遗漏落差小于2 m的正断层的钻探空白区，短距离钻孔存在遗漏落差小于1.5 m的正断层的钻探空白区。利用三级不同距离的长、短钻孔可以相互填补钻探空白区，完全可以排除落差大于0.5 m的正断层。断层“三要素”不明确时，可以适当补充钻孔直至满足要求。

图2 钻孔空白区分析图

2.4 钻探施工安全技术措施

为确保5301胶带巷超前钻孔施工安全，在钻孔施工期间应制定必要的安全技术措施。

1) 首先应确保现场作业人员安全。加强对周边环境的观测，顶帮支护必须可靠，必要时做好别帮防护，避免碎煤下落或者局部冒顶等给施工人员造成伤害。严格按照设计方案进行施工，配备合理的排水系统。

2) 钻探过程中密切监测钻孔周边瓦斯变化情况，出现异常，及时停钻。

3) 打钻过程中钻孔异常出水或出现透水征兆时，要立即停止钻进，将工作面所有受威胁人员撤离至安全地点，立即向调度室汇报，不得擅自退出钻杆。

4) 所有作业人员必须熟知避灾路线，作业现场必须确保撤退路线畅通。

3 超前钻探效果分析

在5301胶带巷掘进期间，采用长、短钻孔对巷道掘进区域内(靠近藕泽正断层和DF01正断层的500 m范围内)产生的隐伏伴生正断层进行超前探测，钻场内施工长距离钻孔时不会给巷道掘进带来影响。短距离钻孔只需在正常施工探放水钻孔时进行数据叠加分析，超短距离钻孔每天利用检修时间施工，耗时较短。在5301胶带巷内共施工10个长距离钻孔、68个短钻孔(正常超前探)、50个超短钻孔，期间发现巷道800 m、893 m、995 m、1 025 m、1 040 m处存在伴生正断层，落差从0.7～4.5 m不等，均无出水、渗水现象。具体探测情况统计如表4所示。

表4 5301胶带巷钻孔参数分析

利用三级超前钻孔逐级钻探，成功地排除掉落差大于0.5 m的正断层，超短距离钻孔弥补了正常超前探在高度为0.5～1.5 m的钻探空白区，做到提前对前方地质情况彻底了解，并制定出过断层方案，及时调整巷道掘进和支护计划，避免了巷道掘进期间的无计划揭露和地质条件突然变化而带来的伤亡事故。

4 结 语

5301工作面设计掘进终点紧邻藕泽正断层和DF01正断层，这两条断层落差较大，产生不同程度的伴生正断层。5301胶带巷掘进期间主要面临的问题为可能无计划隐伏的伴生正断层，为了避免无计划揭露断层对巷道掘进产生影响、造成经济损失或人员伤亡，采用长距离、短距离、超短距离钻孔综合进行探测分析，通过不同形式的钻孔距离，最大程度地将正断层的排除落差范围不断减小至0.5 m.这种方式不仅不会影响掘进进度，而且可以高效排除落差大于0.5 m的正断层，后续的巷道掘进可以在留设的保护距离内做出掘进和支护方式的调整。5301胶带巷掘进期间，充分利用长、短距离钻孔的钻探，成功通过5条正断层，落差范围0.7～4.5 m不等，降低了无计划揭露断层的风险，为巷道的安全高效掘进创造了良好条件。