资源整合矿井老空水探放技术研究

闫锦浩

（汾西矿业正升煤业，山西 汾阳 032200）

0 引言

资源整合矿井在煤炭回采时，由于浅部的小煤窑生产布置不规范或者遗留的采空区位置不详细，制约了后续瓦斯治理、防治水以及采面布置等工作[1-2]。特别是当采掘作业面靠近老空区积水区时，容易出现出水量增大甚至涌水等事故，为确保煤炭安全回采，需进行超前探放水[3]。常规的超前探放水钻孔受钻探距离小、施工精度低以及布置位置受限等多种因素影响，存在探放水效率低、耗时长以及影响后续生产等问题。随着先进钻进设备的推广应用，定向钻孔在煤矿井下瓦斯治理、地质构造探测以及防治水等领域的应用不断增加，为井下老空水探放工作开展提供了新的途径[4-6]。定向长钻孔施工时通过随钻测量设备、带一定弯角螺杆等可实时控制钻孔钻进角度、方位，掌握钻孔轨迹，从而可明显提高老空水探放效率[7-8]。山西某矿为资源整合矿井，井下12402 综采工作面回风巷掘进时受采空区积水影响，因此，将定向长钻孔应用到超前探放水中，以便为巷道掘进及煤炭回采创造良好条件，并降低老空水探放成本。

1 工程概况

1.1 地质概况

山西某矿为资源整合矿井，井田开采区域内有1号、2 号、3 号、7 号、9 号和13 号等多层煤层，煤层层间距较小。浅部的煤炭资源受小煤窑开采破坏，部分区域不可采，井田开采范围内水文地质为简单—中等。小煤窑开采形成的采空区积水会影响同煤层以及下部煤层采掘作业。12402 综采工作面开采的2 号煤层赋存稳定，为优质无烟煤，发热量高、开采经济效益较好，2 号煤层倾角为2°～8°、煤厚均值为3.5 m，顶底板岩性以粉砂岩、炭质泥岩及泥岩为主，设计推进距离为2 150 m、倾向为208 m。12402 综采工作面为孤岛工作面，采面两侧均为采空区，与南侧的12401采空区（采空区探测CO 浓度高，留设的保护煤柱较宽）间留设34.4 m 宽的保护煤柱、与北侧的12403 采空区（为提高煤炭资源采收率，留设的煤柱较窄）间留设10 m 保护煤柱，具体采面位置如图1 所示。

图1 采面位置示意图

12402 综采工作面运输巷为矩形巷道，设计掘进长度为2 225 m，沿着回采的2 号煤层底板掘进，巷宽×巷高=5.6 m×3.5 m。回风巷断面为矩形，设计掘进长度为2 248 m，沿着回采的2 号煤层底板掘进，巷宽×巷高=5.6 m×3.5 m。回采巷道均采用锚网索支护方式。

1.2 防治水难点

12402 回风巷与邻近的12403 采空区间留设10 m保护煤柱，巷道为下山施工，角度为0°～6°（均值为2°），使用普通钻进施工探放水钻孔无法一次疏排干邻近采空区内的积水，采用短掘短探放水进行探放水，存在布置钻场、水仓多问题，施工周期短、作业劳动强度大，进而影响回风巷掘进效率。同时，采用的普通钻孔，由于施工时钻孔轨迹不可控，无法保证直线钻进，钻孔实际轨迹往往呈现抛物线状，无法沿着预先设计的轨迹钻进，在一定程度上影响了探放水效果。防治水管理规定要求采掘作业面与采空区间距30 m 前须进行老空区探放工作，而回风巷留设10 m保护煤柱，不满足防治水规定要求。

12402 回风巷留设的10 m 煤柱在覆岩应力、采空区侧向压力等影响下，裂隙较为发育，顶板出现一定程度离层现象，若回风巷掘进至12403 采空区积水区时，老空水容易沿着煤柱裂隙向巷道掘进空间涌入，甚至出现突水情况。原设计通过运输巷施工措施巷（具体措施巷位置如图1 所示），通过措施巷布置探放水钻孔疏排12403 采空区积水，虽然能满足探放水需要，但是措施巷施工需要调其他掘进巷道队伍掘进，会影响其他采区巷道的掘进效率。同时，巷道掘进成本、支护成本等均较高，采面后续回采期间还面临有过空巷问题。因此，经过综合分析，决定采用长距离定向钻孔对12403 采空区积水进行疏排。

2 疏排水钻孔布置方案

受采面运输巷施工条件限制，运输巷内布置的探放水钻孔布置在2 个钻场内，其中一个钻场位于原措施巷开口处（里程1 678 m 位置），钻场内布置3 个钻孔，为避免12402 回风巷掘进时揭露施工探放水钻孔而引起出水情况，将钻孔设计为U 型，即钻孔从12402 回风巷底板4 m 位置穿过，具体探放转钻孔剖面如图2 所示。另外一个钻场位于原措施巷以里256 m 处，施工4 号钻孔，提高老空水疏排效率。

图2 定向探放水钻孔布置示意图

定向长钻孔开孔段（15 m）用Φ96 mm 钻头钻进后，用Φ173 mm 钻头完成扩孔，然后下放Φ127 mm套管，并通过注浆封孔，具体开孔段结构如图3 所示。采用Φ96 mm 钻头按照预先设计轨迹施工至采空区积水区。定向长钻孔钻进时使用的主要设备包括有ZYWL-6000DS 液压钻机、ZSZ1000 随钻测量系统、L1122 泥浆泵和PDC 钻头等。

图3 钻孔开孔段结构图

3 现场探放水效果分析

3.1 探放水钻孔出水情况

2021 年5 月4 日完成1 号、2 号和3 号定向长钻孔施工，钻孔初期排水量均超过120 m3/h。钻孔排水至5 月19 日后，类似疏排老空水达到66 395 m3，3 号钻孔已无水排出，1 号和2 号钻孔出水量降至75～90 m3/h。4 号钻孔在5 月6 日完成施工，初期钻孔出水量在103.5 m3/h，后随着疏排水时间增加、采空区积水高度及水压降低，钻孔出水量不断减少。6 月5 日，1 号、2 号和4 号钻孔出水量均降至20 m3/h 以下，3 号钻孔不再出水。

3.2 探放水效果

12402 回风巷受采空区侧向应力及老空水等影响，巷道围岩控制及防治水难度较高。为确保12402回风巷安全高效掘进，在运输巷内布置定向长钻孔，提前对影响12402 回风巷掘进的12403 采空区积水进行疏排。布置的定向长钻孔累计疏排水量达到3.65 万m3，基本疏排了采空区内积水，后续施工的检验钻孔均未出水。

将定向长钻孔设计成U 形，即钻孔从回风巷底板穿过，进入到12403 采空区积水，避免了回风巷掘进揭露疏排水钻孔期间出现的突水问题。同时，疏排水钻孔在使用期间未出现堵塞情况，表明在采空区内积水水压差可确保钻孔顺利疏排水。通过在12402 运输巷内布置定向长钻孔，可减少措施巷掘进工程量。疏排水钻孔可超前12402 回风巷500 m 以上对12403采空区积水进行疏排，当12402 回风巷掘进至12403采空区区时，采空区内积水已基本疏排干净，从而解决了12402 回风巷水害问题，为巷道安全掘进以及12403 工作面早日投产创造了有利的条件。

4 结论

1）12402 综采工作面回风巷掘进时受邻近12403采空区内积水影响，若通过布置措施巷方式进行采空区内积水疏排，需要单独掘进一条巷道，防治水成本较高且措施巷会影响后续采面生产。为此，在12402运输巷内布置定向长钻孔，对12403 采空区积水进行定向疏排。布置的定向长钻孔均为U 形，即钻孔从12402 回风巷底板穿过，进入12403 采空区积水区，从而避免12402 回风巷掘进至疏排水钻孔期间出现钻孔涌水量大或者突水问题。

2）在12402 运输巷共计布置4 个定向长钻孔，累计疏排12403 采空区积水约3.65 万m3，基本解决了采空区积水对12402 回风巷掘进的影响。同时，定向长钻孔疏排水期间未出现堵塞情况。