掘进巷道顶板裂隙含水层探放水施工技术研究

刘宇航

摘 要：巷道掘进期间，涌水不仅制约掘进效率，而且侵蚀巷道围岩，降低围岩支护体系强度，甚至导致围岩结构体系失稳。为了确保巷道掘进安全、降低涌水给巷道掘进带来的影响，以20601运输巷掘进为研究对象，提出采用长距离定向钻孔+短距离钻孔相结合的探放水技术。通过长距离定向钻孔超前疏排可降低顶板裂隙水水压及掘进迎头涌水量;短距离钻孔起到进一步疏排水及超前探测的作用。现场应用后，巷道掘进期间基本无淋水，仅地质构造带附近有0.8 m3/h涌水量，不会给巷道掘进安全带来显著影响。

关键词：巷道掘进;裂隙水含水层;长距离定向钻孔;疏排水;水头压力

中图分类号：TD745文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0051-03

Abstract： During the roadway excavation， water inrush not only restricts the roadway excavation efficiency， but also erodes the surrounding rock of the roadway， reduces the strength of the surrounding rock support system， and even causes the instability of the surrounding rock structure system. In order to ensure the safety of roadway excavation and reduce the impact of water gushing on roadway excavation， taking 20601 transportation roadway excavation as the research object， a water detection and drainage technology combining long-distance directional drilling with short-distance drilling was proposed. Long distance directional drilling can reduce the roof fissure water pressure and heading water inflow， and short distance drilling can play a role of further drainage and advanced detection. After field application， there is basically no water drenching during roadway excavation， only 0.8 m3/h water inflow near the geological structure zone， which will not bring significant impact on the safety of roadway excavation.

Keywords： roadway excavation;fractured water aquifer;long-distance directional drilling;drainage;head pressure

涌水是制約煤矿生产安全的不利因素之一，超前探测及疏排是防治水的主要技术手段[1]。合理布置探放水钻孔对确保巷道掘进安全具有重要意义。随着钻探技术的不断发展，长距离定向钻孔在煤矿井下的应用越来越广泛，在一定程度上提升了煤矿生产安全保障能力[2-4]。但是，井下探放水钻孔施工中仍存在钻孔施工质量差、布置不合理及封孔质量不佳等问题，从而在一定程度上影响探放水钻孔预期效果[5-7]。本文以某矿20601运输巷掘进为研究对象，针对顶板裂隙水影响对探放水钻孔布置进行设计，有效提升了探放水钻孔效率，并实现了巷道安全掘进。

1 工程概况

某矿为生产能力600万t/a的大型现代化矿井，采用斜井、平硐开拓，主采3#、6#及11#煤层，现阶段主采6#、11#煤。20601综采工作面开采6#煤层，现阶段正掘进20601运输巷，设计掘进长度1 320 m，巷道断面为矩形（宽4.5 m、高3.5 m），采用锚网索支护工艺。

根据已有水文地质资料可知，20601运输巷掘进期间主要涌水来自顶板砂岩裂隙水。该裂隙水含水层位于20601运输巷顶板上约25 m位置，厚度约16.5 m，岩性以粗砂岩、泥岩为主，水压约为1.32 MPa。预测巷道掘进影响范围内含水量约为18 685 m3，掘进期间涌水量在5.3 m3/h，是巷道掘进的主要安全威胁之一。因此，为了确保20601运输巷掘进安全，需要进行必要的探放水工作。

2 探放水钻孔施工

20601运输巷探放水钻孔有超前定向长距离钻孔、短距离钻孔两类。

2.1 超前定向长距离钻孔

2.1.1 钻孔施工。根据已有水文地质资料得知，在20601运输巷顶板上约25 m位置的砂岩裂隙水是巷道掘进期间的主要涌水水源。为此，超前定向钻孔布置在该裂隙水含水层内，具体布置见图1。在巷道左帮位置开深度6.5 m、宽度8.0 m钻场。钻孔时采用型号为ZDY6000LD的千米定向钻机施工。在巷道迎头、左右帮各距离掘进外轮廓线20 m处布置一个钻孔。钻孔终孔位置距巷道顶板25 m，从而实现对巷道顶板上覆裂隙水含水层进行探测及超前疏排。

超前定向钻孔施工长度在500～1 000 m，钻孔结构为二开结构，在开孔孔径为153 mm，全程下套管，并安装20 m长的接口管（孔径127 mm）;在目标层位钻进时孔径为96 mm，裸孔钻进。

2.1.2 封孔工艺。封孔采用“两堵一注”的方式，长度为20 m。采用的封孔设备主要为PKN封孔器（2个）、注浆泵（型号2ZBQ-6/4）、4根钢管（孔径127 mm）、注浆软管（孔径16 mm）。当钻孔钻进至20 m后开始封孔，在钻孔内装入4段孔径为127 mm钢管，邻近钢管间采用丝扣连接。钢管安装完毕后在钻孔孔底注入膨胀水泥进行封堵（长度500 mm），具体见图2。

在孔口管与钻孔孔壁间插入直径16 mm注浆软管，在距离孔口、孔底500 mm位置均安装PKN封孔器，从孔口位置注入膨胀水泥进行封堵。将2ZBQ-6/4注浆泵与注浆软管连接，向孔口管与孔壁间注入封孔材料（XZFKL-I型），注入压力为1.5 MPa，注入时间为20 min。封孔完成后需要静置8 h以上。

在孔口管外露端布置法兰盘及压力表，向封孔完成的钻孔内注入3～4 MPa高压水，注水时间在15 min以上，注水时未发现孔壁渗水或者钻孔窜动即认为封孔质量满足要求。

2.2 短距离钻孔施工

在20601运输巷掘进迎头采用ZY-750D钻进施工短距离钻孔，钻机施工时配套采用的钻杆为Φ63 mm×1 500 mm中空钻杆、75 mm八翼钻头。钻机的额定功率、钻进压力分别为22 kW、25 MPa。

在20601运输巷掘进迎头布置两排短距离探放水钻孔。其中，上排钻孔为仰斜钻孔，用以探测并疏排顶板裂隙水;下排钻孔为水平钻孔，主要用以探测巷道掘进前方及两侧是否存在含水层。

上排布置的仰斜钻孔共5个（编号依次为1#～5#），钻孔深度为63 m，仰角17°，钻孔孔径75 mm，开孔距离巷道顶板500 mm，间距为700 mm。巷道按照120°方位角掘进，其中1#钻孔按照120°方位角施工，2#、3#钻孔分别按照110°、130°方位角施工（水平角均为10°），4#、5#钻孔分别按照100°、140°方位角施工（水平角均为20°）。

下排布置的水平钻孔共3个（编号依次为6#～8#），孔深60 m，孔径75 mm，垂直煤壁施工。开孔位于顶板下方1 500 mm位置，间距1 600 mm，其中6#钻孔方位角120°，7#、8#钻孔方位角分别为100°、140°（7#、8#钻孔水平角均为20°）。具体钻孔布置见图3。

施工的短距离探测钻孔探测距离为60 m，巷道每掘进40 m在迎头位置施工一组探测钻孔，从而确保探测钻孔间有20 m重叠距离，提高巷道安全保障能力。

3 探放水效果分析

第一，在20601运输巷顶板布置的长距离定向探放水钻孔（3个）耗时6个月钻进完成，施工完成后进行疏排水，共计排放约12 560 m3裂隙水，显著降低了20601运输巷掘进期间涌水的威胁。

第二，在20601运输巷掘进迎头布置的探放水钻孔，共计布置264个，其中涌水钻孔仅有60个，占钻孔总数的22.7%，其余钻孔均为干孔。涌水钻孔多为长距离探放水钻孔终孔段，即为巷道掘进进尺600～700 m、1 250～1 350 m范围内，累积排放顶板裂隙水约5 759 m3。

第三，在巷道掘进期间，顶板几乎无淋水，仅在掘进至680 m位置时受到DF31断层（H=4.2 m、362°∠45°）影响，围岩裂隙发育，顶板出现少量淋水，淋水量在0.8 m3/h以内，在此范围内通过注浆封堵后顶板淋水问题得以彻底解决。

4 结语

采用长距离定向钻孔不仅可实现对巷道掘进前方地质构造的超前远距离探测，而且可有效对含水层进行疏排，从而降低巷道掘进过程中的涌水量。

在20601运输巷布置长距离定向钻孔，对顶板砂岩裂隙水含水层进行远距离、超前疏排，降低顶板裂隙水涌水对巷道掘进的影响。在巷道掘进迎头采用短距离钻孔進一步对顶板裂隙水及附近其他的含水层进行疏排。

现场应用后，长距离定向钻孔疏排水量达到12 560 m3，巷道掘进期间施工的短距离钻孔均为涌水，仅在长距离定向钻孔终孔段出现一定量的涌水。这主要是由于在长距离定向钻孔终孔段钻孔实际位置与设计位置出现较大偏差，导致疏排水效果弱化。

参考文献：

[1]王强.掘进巷道顶板裂隙水探放水施工设计[J].煤矿现代化，2020（4）：18-19，22.

[2]吕振绘.掘进巷道探放水施工工艺研究[J].山西能源学院学报，2020（3）：26-28.

[3]刘文鹏.掘进巷道地质探放水施工设计与安全措施[J].矿业装备，2020（3）：104-105.

[4]薛辉.煤矿探放水施工存在的问题及处理措施[J].煤矿现代化，2019（4）：190-192.

[5]陈生茂.沙坪煤矿掘进工作面探放水施工技术[J].煤炭工程，2018（S1）：79-81.

[6]刘晓飞.掘进巷道底板注浆加固防治承压水技术研究[J].煤炭技术，2012（6）：125-126.

[7]熊祥林，黄庆显，杨长松.平煤四矿庚20-21040掘进巷道探放水工程方案设计及实施[J].中州煤炭，2010（1）：70-71.