掘进工作面顶板富水区超前疏放治理技术

段志鸿

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司，山西吕梁 033102）

0 引言

煤层顶板富水条件下，巷道掘进期间顶板涌水量大，影响巷道安全掘进，且普通锚固剂遇水难以有效膨胀，降低顶帮锚杆张拉强度，导致巷道存在离层冒顶风险[1-2]。基于此，以吕梁山煤电有限公司3-3032 巷为工程基础，提出在巷道掘进开口段施工定向钻孔，对富水异常区域提前疏放，利用注浆技术封堵导水通道，实现顶板水有效治理。

1 工作面概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司核定产能260 万t/a，井田开拓设计为2 个水平，其中一水平标高+900 m，开采2、3、5 号煤，二水平标高+830 m，主采8、9、10 号煤层。3-303 工作面位于一水平三采区以西，运输顺槽为3-3032 巷，长度1411 m，回风顺槽为3-3031 巷，长度1311 m，切眼长219 m，工作面布置如图1 所示。工作面内地质构造条件简单，根据三维地震勘探未发现明显大型断裂构造和断层、陷落柱等，但在掘进过程中可能存在隐伏小构造，工作面主采3 号煤层，煤层厚度0.75 ～1.2 m，平均1.05 m，赋存倾角1°～5°，平均3°，整体结构较稳定。煤层顶底板岩性见表1。

图1 3- 303 工作面采掘巷道布置Fig.1 Mining and excavating roadway layout of No.3-303 Face

表1 3 号煤层顶底板岩性描述Table 1 Lithology description of No.3 coal seam roof and floor

3-303 工作面水文地质条件中等，在掘进期间不受周边小窑水、采空区积水和地表水的渗透威胁，主要充水水源来自于顶板的砂岩含水层，富水分布不均匀，经过瞬变电磁物探探测结果显示顶板局部富水，为弱富水性。但在掘进施工期间锚杆、锚索孔内经常出现滴涌水，影响锚固强度效果，3号煤层的顶板最大导水裂隙带高度为48.2 m，在孔内积水长期疏放后，原水压支护作用消失，顶板胶结层会出现缓慢下沉，造成一定量的顶板下沉变形，若支护强度不到位，可能潜在局部冒顶安全风险。3 号煤层顶板含水层具有以下水文特征。

（1） 煤层顶板主要为二叠系山西组砂岩裂隙含水层，以细粒、中粒和粗砂岩为主，平均总厚度为22.97 m，单位涌水量约0.00014 ～0.047 L/s·m，渗透系数为0.1591 ～0.2042 m/d，水位标高+1058.40—+1066.34 m。含水层富水性弱，水质结构为HCO3·SO4-Ca·Mg 型，矿化度达到0.7378 g/L，掘进期间顶板以滴淋水为主，消耗静压水，但在疏放一定量后，顶板产生新的裂隙，上层含水层会向下层进行水源补给，造成疏放水量增大，经过一段时间后重新趋于稳定，直到多层水源疏放彻底。

（2） 工作面底板含水层为石灰系太原组岩溶裂隙含水层，主要由L1、L4、L5 等3 层灰岩及中砂岩构成，灰岩厚度为5.43、5.89、4.49 m，平均总厚度为15.81 m，单位涌水量在0.009 ～0.078 L/s·m，渗透系数0.054 ～0.2713 m/d，水位标高在+856—+872 m，该含水层富水性弱，不具有承压性，且底板隔水层岩石分布致密，隔水性较强，因此，对巷道掘进影响较小。

2 超前疏放防治水方案设计

2.1 富水区物探成果分析

根据矿井建井时期的水文地质勘探资料与3-303 工作面瞬变电磁物探资料分析，该工作面主要存在3 个低阻异常区域，集中在3-3031 巷开口向里约407 ～465 m，3-3032 巷开口向里约432 ～489 m，以及工作面中部靠近3-3032 巷附近，距离停采线约284 ～323 m，经过含水层标高测算，预计富水区域位于3 号煤层顶板以上9 ～12 m 层位区间，富水强度为中等偏弱。物探低阻异常区域划分如图2 所示。

图2 物探低阻异常区域划分Fig.2 Division of geophysical exploration low-resistance abnormal area

2.2 定向钻孔设计参数

经过物探资料对富水异常区域的划分分析，初步明确异常区域大概位置，由于煤层赋存倾角平均3°，为近水平煤层，因此，选用一般钻机无法有效施工至预定区域，而且钻孔倾角不好控制。经过综合评判，选定型号为ZDY6000LD 的全坑道液压钻机，峰值扭矩可达6000 N·m，适用于钻孔倾角-10°～20°的开孔区间；配备3NB-320/8-30 型泥浆泵，可提供抽液能力118 ～320 L/min，注浆泵压可达到 8 MPa； 为准确施工定向， 选用YHD1-1000T（A） 型随钻测量系统，可跟踪钻孔施工轨迹，及时调整钻进姿态，确保钻至设计层位区域，误差值控制在±0.5 ～±1 m。

在3-3031 巷开口约330 m 处开孔施工疏放孔，编号为SF1 孔，为确保施工安全，距异常区域外段预留70 m 安全距离；在3-3032 巷开口向里约350 m 处及附近，分别施工SF2 孔和SF3 孔。考虑到煤层赋存呈北高南低的特征，以及含水层存在流动性补给和裂隙相互导通的可能，在施工顺序上设计先对SF2 孔和SF3 孔开孔钻进，最后将SF1 孔作为疏放水效果评价的验证孔，所有疏放水钻孔设计终孔层位为煤层顶板以上12 ～15 m。钻孔参数见表2。

表2 疏放水钻孔设计参数Table 2 Design parameters of drainage drilling hole

2.3 钻孔放水效果分析

通过对3 个疏放水钻孔打钻过程各项参数及涌水量情况的详细记录，可以反向验证物探结果的评价准确性。在SF2 孔施工至59 m 处时，孔内首次出现涌水，涌水量为3.7 m3/h，经过钻孔投影平距测算，绘制在钻孔设计图上后，分析发现见水位置与低阻异常区域提前19 m，随着钻孔不断深入，涌水量随之增大，最大时达到71.6 m3/h，随后放水速度与水量趋缓，最大水压达到1.6 MPa。然后施工SF3 孔至84 m 处时孔内出水，水量达到11.5 m3/h，见水位置与异常区域划分边界基本一致，当继续钻进至106 m 时，孔内涌水增大，水量为39.4 m3/h，而且SF2 孔在正常放水情况下水量突然明显减小，说明2 个异常区域通过导水裂隙存在一定的补给关系，涌水从更低位置的SF3 孔通道实现了流动排泄，最大孔内水压为1.1 MPa。最后施工SF1孔时在81 m 处开始见水，初始水量为14.7 m3/h，最大水量为39.1 m3/h，疏放水期间未发现SF2 孔和SF3 孔有明显变化，SF1 孔也未见水量异常增加现象，说明该区域相对封闭，未形成与其他含水层的有效联系，未得到涌水补给。钻孔施工期间孔内涌水量变化衰减曲线如图3 所示。

图3 钻孔施工期间孔内涌水量变化曲线Fig.3 The variation curve of water inflow in drilling hole during drilling construction

2.4 注浆封孔与注浆锚杆设计

当所有疏放水钻孔的正常涌水量小于5 m3/h后，且持续稳定7 d 以上，说明异常区含水层基本疏放完毕，正常补给水量对巷道掘进不构成突水威胁，此时采用高标号P.042.5R 水泥制成混合比重为1∶2.5 的水泥浆液对钻孔进行封孔，终孔注浆压力设定为3 MPa。注浆后既可以对原有裂隙进行充填加固，封堵导水通道，也可以减少因放水后胶结层失去支撑作用而缓慢下沉造成空顶冒顶的风险。

在掘进过程中，为对顶板支护实现补强，采取对围岩施工注浆锚杆和螺纹钢锚索搭配使用的措施，按照顶帮间排距为800 mm×1600 mm 施工螺纹钢锚杆，锚杆规格为D22 mm×2400 mm，每排打设13 根，进行全段锚固；注浆锚杆采用中空形式便于注浆，规格为D24 mm×3000 mm，打设间排距1000 mm×1600 mm，与普通螺纹钢锚杆插花交替施工。顶板支护施工断面如图4 所示。

图4 顶帮支护施工断面Fig.4 Section of roof support construction

3 疏放水效果评价

（1） 经过定向钻孔施工对顶板含水层低阻异常区域进行超前疏放水，当放水量持续稳定在5 m3/h 后进行注浆封堵，封闭导水裂隙与补给通道，在巷道掘进期间未再出现锚杆、锚索孔内的滴淋水现象；当工作面贯通形成后，在回采前再次进行全域顶底板瞬变电磁物探评价，未发现顶板存在低阻异常区域，掘进前已疏放注浆治理的区域也呈现出高阻值，说明治理效果良好。

（2） 疏放水钻孔注浆封堵裂隙后，通过注浆锚杆和螺纹钢锚杆配合使用，对顶板支护实现补强，在掘进期间每月对巷道顶帮移近量进行定点观测，发现治理后的顶板最大移近量仅有164 mm，未出现明显的离层空顶现象，也未发生顶板因淋水浸泡导致的冒顶事故。

4 结论

（1） 通过对3-303 工作面内水文资料与物探成果的分析，划定顶板含水层低阻异常区域，从而有针对性制定疏放水钻孔的施工参数，确保放水效果达到预期目标。

（2） 经过顶板疏放水治理，以及注浆锚杆补强支护后，在掘进期间有效控制顶板下沉速度，控制顶板移近量小于164 mm，符合巷道工程质量控制要求，未发生顶板事故。

（3） 通过采取综合疏放水治理措施，实现含水层富水区的超前疏放，掘进期间确保综掘效率达到15.6 m/d，全月累计进尺实现468 m，完成高产高效目标，为采掘接替平衡奠定了安全基础。