我国煤炭资源丰富，煤炭在我国的一次性能源结构中占据主导地位[1,2,3]。我国煤矿开采多采用井工开采[4]，井工开采在工作面回采结束后会形成采空区，在地表移变衰退期结束后采空区会发展为老空区，老空区成为了地下水积聚的空间[5]。随着时间的推移，各种途径的水源补给会导致老空区水位不断抬升[6]，这将会对邻近工作面巷道掘进以及后期的回采造成极大危害[7,8]。目前，老空水害的主要解决措施通过钻孔排放，包括常规钻孔和定向长钻孔[9,10,11]。常规钻孔由于钻距短且钻孔轨迹无法控制而导致排放效果有限[12];定向长钻孔钻进技术使用带有一定结构弯角的螺杆，可以通过控制工具面向角[13,14,15]，再辅以随钻测量仪，实时控制钻孔的方位和倾角，从而精确钻进至靶点区域进行疏排水，排水效果显著[16,17]。

色连二矿通过在12403老空水探放中采用“定向长钻孔+虹吸原理”技术方案，远程疏放12403采空区老空水，以最快速度保证了12402回风巷恢复施工，且均在积水线外安全施工，避免了老空水的威胁，工期上提前至少提前一个半月，保证工作面正常接续;安全上实现集中疏放水，避免回风巷揭露钻孔，消除了突水隐患;费用上仅工程施工上即可节约53万元以上;少施工一条措施巷，避免以后过老硐带来的风险，其综合效益至少在1000万元以上。

1、工程背景

色连二矿是煤层群开采矿井，前期开采形成的采空区老空水严重威胁下部煤层和同煤层相邻工作面的采掘活动。普通钻机探放老空水往往存在孔深达不到，不能避开非目标采空区，施工的钻孔有可能成为巷道施工时的导水点等问题，此类问题在12402工作面尤为突显。12402工作面是孤岛工作面，两回采巷道掘进期间均受到采空区老空水的威胁，其南侧为12401采空区，留设煤柱34.4m，北侧为12403采空区，留设煤柱仅10m。其运输巷从4-1煤层运输大巷(南)拨门，长2328m，矩形断面，断面规格宽×高=5.6m×3.5m;回风巷从12403回风巷拨门，长2300m，巷道断面形状为矩形，断面规格宽×高=5.0m×3.5m。由于运输距离12401采空区34.4m，不受采空区老空水威胁，该工作面难点是回风巷的施工。

2、回风巷施工难点分析

2.1 防治水技术管理分析

1)普通钻机钻探工程施工方面。12402回风巷为下山施工，角度0°～5°，平均1°，不能用普通钻机施工钻孔一次性放空采空区积水，只能采取短探短掘，施工周期短，轮次多，劳动强度大，布置的钻场、水仓多，影响巷道施工速度。即便这样，在下一组钻孔与前一组钻孔之间的掘进区段，仍然需要带压掘进，不符合上级公司的防治水管理要求。

2)钻探施工效果。采取普通钻机施工时，如果施工与巷道垂直方向钻孔，在下止水套管环节，套管长度不能达到10m，否则不能注浆加压;如套管长度缩短到5～6m，因担心加压注浆时击穿煤壁，注浆压力不足，止水效果难以保证。同时，普通钻机施工时钻孔轨迹不可控，即使加上导向钻杆也不能保直钻进，钻孔轨迹往往呈抛物线状，有时不能打到设计的目的靶心，影响探放水效果。

3)执行防治水相关管理规定。按照防治水管理规定，采掘工作面距离采空区30m前须进行探放老空水工作，因为12402回风巷与采空区之间煤柱仅10m，不符合该项防治水规定。

2.2 巷道施工安全可靠性分析

12402工作面回风巷沿12403采空区掘进，10m阶段隔水煤柱受到12403采空区应力影响，完整性受到破坏，裂隙发育，顶板离层，一旦进入积水线施工，采空区老空水就会沿裂隙进入巷道，甚至有突水的可能。12402与两侧采空区相对关系如图1所示。

图112402与两侧采空区相对关系示意图

基于上述因素，在组织12402工作面回采巷道施工时，正常的施工顺序应该是先施工运输巷，施工至过12403原切眼30m左右，增加一条措施巷，掘至回风巷一侧，做钻场探放12403老空水，然后再组织12402回风巷的施工;或者运输巷一直施工至切眼，施工完切眼后拐向向外倒勾施工回风巷，施工至12403采空区附近停头打钻放水，再组织回风巷外口正常施工。这样在受到12403老空水威胁的回风巷段，不能与运输巷同步施工，将影响整个工作面的施工时间，对于采掘接续紧张的色连二矿来说，有可能造成采掘失调。

为了能实现12402工作面回风巷和运输巷同时掘进，减少工作面准备时间，必须提前疏放12403采空区老空水。普通钻机施工长度最多200m左右，而定向长钻孔孔深最多能打1000m以上，为远程疏放12403老空水，实现两巷平行作业创造必要条件。

3、回采巷道及定向长钻孔施工

3.1 工作面回采巷道施工组织情况

3.1.1 回风巷的施工组织情况

2018年4月份，开始施工12402工作面回采巷道，考虑运输巷靠近正在回采的12401工作面，为了避免掘进期间受采动动压影响，先从12403工作面停采线外的回风巷拨门，施工12402回风巷。为了掌握12403采空区积水情况，保障12402回风巷安全掘进，在12404工作面回采前，在其回风巷从退尺550m开始，每100m施工一个12403采空区水位观测孔，共施工了5个观测孔。至8月初，当12404工作面回采至与隔12403采空区迎面掘进的12402回风巷交汇时，观测孔失去了观测采空区水位，掩护12402回风巷掘进的功能，此时，12402回风巷施工了880m。考虑巷道平均倾角为下山1°，施工100m最大水头高度上升1.75m，采取迎头施工，在880m处施工一组探测孔的措施。根据探测，采空区内水压为0.02MPa，此时巷道共施工了950m。因为12402回风巷已经进入12403采空区积水线范围，矿方在8月中旬安排停头撤面，改为施工12402运输巷。

3.1.2 运输巷的施工组织情况

12402运输巷与12401采空区之间煤柱34.4m，不受采动影响和老空水威胁，从2018年8月中旬拨门施工开始，一直保持较高的单进水平，至2019年1月末，已经施工了1700m，已经过原12403切眼位置，按原计划，在该位置施工一条措施巷，掘至距离12403采空区30m处，做钻场施工一组探放12403老空水的钻孔，在水位降至12402回风巷停头处以外时，恢复回风巷施工。

3.2 12403老空水疏放及定向长钻孔施工

3.2.1 12402回风巷探放12403老空水情况

在12402回风巷停头后，因为12408工作面疏放12309、12308的老空水不能排至地面，把12403采空区作为储水空间，为了恢复回风巷掘进施工，先后在回风巷迎头110m范围施工了3组共16个疏放钻孔，共疏放老空水143200m3，在剩余积水标高1084.3m，与孔口标高最低的钻孔标高持平时，已经不能从回风巷侧继续放水。

3.2.2 定向长钻孔方案选择、设计及施工情况

按照工作面原设计，12402运输巷施工至过原12403切眼30m处施工一条措施巷，掘至回风巷侧探放12403老空水，连钻场一共256m。而当时措施巷施工没有现成的施工队伍，一旦决定施工，要调队伍施工，将影响其它工作面接续，且搬家倒面准备系统，至少要一个半月能完成。经过对施工措施巷和定向长钻孔进行充分的对比论证后，矿果断决定采取定向长钻孔探放老空水的方案。

图2实际施工的定向长钻孔平面位置图

3.2.3 设计及施工情况

受12402运输巷当时的施工进度限制，探放水工作在两个钻场进行，一是在12402运输巷原设计措施巷处(1677m)，设计了4个钻孔，实际施工了3个。孔口标高最低为1075.30m,12403采空区积水最低点标高1068.68m，低于孔口标高6.62m，因此老空水不能全部放尽。为了避免12402回风巷揭露钻孔出水淹面，将1#、2#、3#孔设计成宽缓的U形，1#、2#、4#定向长钻孔剖面如图3所示，从12403回风巷巷道底板穿过，考虑随着水压逐渐降低，U形孔低洼处容易淤塞堵孔，把4#孔设计成近水平孔。实际施工时1#、2#、4#孔初始出水量均达到120m3/h，满足放水需要，对3#号孔进行了合理核减。具体参数见表1。

图31#、2#、4#定向长钻孔剖面示意图

3.2.4 第一组长钻孔放水情况

1)自然水压放水。2019年3月4日，1#、2#、4#三个定向钻孔施工完成，初始出水量均达到120m3/h。至3月19日疏放老空水66395m3,12402共疏放12403老空水209595m3,4#孔已无水，1#、2#残余水量90m3/h。采空区水位降至与孔口标高一致即1075.5m后，剩余积水量15000m3，剩余积水长度268m，采空区剩余积水深度最大6.8m。由于没有了水压差，1#、2#钻孔放水量均逐渐衰减至20m3/h，主要疏放采空区补给水量。

2)虹吸原理疏放水。为了加大放水量，在放水量衰减后，对排放水系统进行改造调整，利用虹吸原理增加放水量。

表112402运输巷疏放12403老空水定向钻孔参数

具体做法是在距离措施巷钻场350m处施工一个3m×1.5m×1.5m规格的水仓，该处标高低于措施巷处12m，用一路D159管路连接1#孔口管至该水仓处，管路上口安装排气闸阀，下口安装控水闸阀，先关闭下口闸阀，待管路内充满水后，关闭上口排气闸阀后打开下口控水闸阀放水，通过虹吸原理进行放水。采用这种方法，增加了放水量，放水量由开始的20m3/h增加到50m3/h，放水效果较好。虹吸原理疏放水示意如图4所示。

图4虹吸原理疏放水示意图

3.2.5 第二组长钻孔设计施工及疏放水情况

为了增大放水量，尽快放空12403老空水，在距离措施巷钻场向里243m处设计施工了第二组长钻孔，共设计一个主孔5#孔和分支孔5-1#孔，孔口标高为1065.5m，低于采空区最低点2.8m。5#孔设计长度423m，实际施工了450m，于4月29日施工完成，初始水量为108.2m3/h，因为放水量较大，采空区余水仅15000m3，同时防止施工分支孔影响正常放水，对5-1#分支孔进行了合理核减。

4、老空水疏放效果分析

12402孤岛工作面回采巷道由于受到两侧采空区压力及老空水影响，施工困难较大，尤以回风巷为甚。由于12404工作面回采前在其回风巷施工了5个12403老空水水位观测孔，通过监控老空水水位情况，保障了回风巷前950m巷道的安全施工，为回风巷探放水工程施工提供了空间。

1)通过定向长钻孔的U形设计和精准控制施工，从回风巷底板下4m进入采空区，避免回风巷揭露钻孔造成钻孔突水等问题，U型钻孔并未发生淤塞堵孔现象，在有自然压差的情况下均能顺畅放水。

2)在12403老空水水位与措施巷钻场处孔口标高平衡时，利用虹吸原理，增大了放水量，实现了12403老空水快速疏放，持续疏放。

3)截止2019年5月底，共疏放12403采空区老空水310000m3，其中在12402回风巷用常规钻孔疏放了143200m3，在运输巷利用定向长钻孔疏放了166800m3。从2019年3月初开始，12402回风巷恢复施工，至5月底，已经安全掘过12403采空区影响段，巷道施工时未揭露钻孔，验证了定向长钻孔“精准定向钻进”的可靠性。

5、结语

色连二矿煤层群开采的地质条件，决定了老空水对矿井采掘影响将伴随矿井今后开拓开采的全过程，尤其后期开采下部煤层的时候，老空水对安全生产的威胁将越发突显。“定向长钻孔+虹吸原理”远程疏放老空水的技术，充分利用定向长钻孔在平面上方位可调，剖面上倾角可调，能实时监测钻孔轨迹的优势，可以隔一个或两个工作面对老空水进行远程集中疏放，实现普通钻机不能实现的探放目标，克服普通钻机短探短掘带来的各种不足;虹吸原理实现在孔口与采空区水位持平无水压差时仍能连续疏放，增加疏放水速度，缩短了放水时间。“定向长钻孔+虹吸原理”远程疏放老空水技术将有广泛的应用前景。

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