基于渗流理论的掘进巷道遇老空水层施工方法研究

摘要：研究针对掘进巷道在遇到老空水层时的施工方法展开，结合渗流理论分析了老空水层的水力特性及其在巷道掘进中的影响。通过建立老空水层的渗流模型，设计了相应的防治水措施及施工方案。研究为巷道掘进过程中的水害防控提供了理论依据和施工指导。

关键词：渗流理论；掘进巷道；老空水层；水害防控；施工方法

一、引言

随着煤矿开采深度和规模的不断增加，巷道施工过程中遇到老空水层的风险逐渐增大。老空水层主要由采空区积水形成，具有水量大、水压高、渗透性强等特点，给煤矿掘进作业带来了严重的安全隐患。如何有效防控老空水层引发的水害，成为当前煤矿施工中的重要课题。本文基于渗流理论，分析老空水层的水力学特性，提出了针对性的施工方法与防水措施，为煤矿巷道施工提供了科学依据和实践指导。

二、老空水层水力特性分析

2.1 老空水层的形成及分布特征

老空水层的形成通常是由于煤矿开采留下的空区积水逐渐增多，受周围地下水的补给影响，形成了具有较高水压的水层。鑫鑫煤业在回风返上山施工中遇到的老空水层，因多年积水浸泡而在老巷形成，导致巷道墙体抗水能力减弱。由于老空水层的分布往往呈现不均匀性和不可预测性，特别是在含裂隙的煤层和岩层中易形成渗水路径，使老空水层具有较强的渗透性和隐蔽性。这些特征对巷道掘进构成了极大的威胁，特别是在老巷与新掘巷道贯通时，可能导致突然的大量水涌入，增加施工难度与安全风险。

2.2 渗流理论在老空水层分析中的应用

渗流理论能有效解释水流在老空水层中的运动规律，便于分析水源、渗透路径和流速等特性。通过渗流方程，工程师可以模拟水流的方向、流速及影响范围，预测水害风险。在鑫鑫煤业的实际操作中，渗流理论帮助制定“短注、短探、短掘”方案，以控制老空水层对巷道施工的水害威胁。同时，渗流理论还用于评估注浆、排水等措施的效果，确保防水措施的合理性。该理论的应用为精准控制老空水层水位、水压变化提供了科学依据，并为水害防控提供了理论支撑。

2.3 老空水层的水力学特性及其影响因素

老空水层的水力学特性如水压、渗透性和流量等参数对水害的发生有直接影响。老空水层中水压高、水量大，且渗透性随煤层裂隙的发育程度而变化，可能导致水流通过巷道破坏地板，形成浮渣。在鑫鑫煤业回风返上山贯通过程中，水压突增至约230m³/h，表明补给水源充足，且水层水力特性复杂。影响水力特性的因素包括裂隙率、煤层渗透性及周边补给量等。这些特性需要通过前期勘探详细掌握，以避免因突发水害而增加施工难度与成本。

2.4 老空水层的渗流模型建立

老空水层渗流模型通过模拟水体在巷道掘进过程中的运移特性，能够更准确地预测水害风险。根据鑫鑫煤业的经验，渗流模型构建时需考虑煤层裂隙、补给水源和渗透性等影响因素，确保模型能够反映老空水层的真实水力情况。通过对模型进行数值模拟，可以计算水位变化及流量预测，并设计针对性的防水措施。该模型还可实时监控渗流路径的变化，为水害防控提供及时的参考，使掘进过程中的防护措施更加科学合理。

三、掘进巷道施工过程中的水害防控

3.1 巷道掘进中常见的水害问题

巷道掘进中常见的水害问题包括渗水、突水和水力侵蚀造成的结构破坏。鑫鑫煤业在回风返上山掘进中遇到的突水情况，就是典型的水害问题。由于渗透性强、裂隙发达的煤层易形成渗流通道，水流会侵蚀巷道地板，产生浮渣和积水，甚至引发巷道棚架失稳。针对这些问题，巷道掘进必须实施严格的水害防控方案，以降低突水风险和地板冲刷风险，从而保障施工人员的安全及掘进设备的正常运行。

3.2 老空水层水害的识别与监测

识别老空水层的水害风险需要全面的水文地质勘查与实时监测。鑫鑫煤业在贯通过程中，通过前探孔、打孔验证水位、监测水流等措施识别水害情况。监测系统则连续采集水位、水压等数据，并在每次注浆、探测后分析水害威胁。在实际掘进中，监测设备需安装在关键点，实时掌握老空水层的渗水情况。一旦发现水位异常变化，应立即采取应急处理措施，防止突发水害带来的安全隐患。

3.3 基于渗流模型的水害预测方法

通过渗流模型模拟水层的运移特性，可以有效预测水害发生的时间、地点和流量大小。在鑫鑫煤业的贯通操作中，渗流模型帮助提前分析水流路径及补给源，确保施工队伍有足够的时间采取有效防控措施。渗流模型结合监测数据，能够根据不同水压条件下的水流特征，分析可能的突水点，为施工防护提供预警机制。通过对渗流模型预测数据的分析，掘进团队可以制定更精准的防控策略，减少水害发生概率。

3.4 掘进巷道遇老空水层的防水措施设计

在掘进过程中遭遇老空水层时，需采取多层次的防水措施。鑫鑫煤业的回风返上山采用了封堵、引流和疏水等综合防水措施。通过注浆封堵，切断水源的入侵路径；通过埋管排水和围堰挡水，有效控制巷道内的水量；此外，通过施工水沟进一步控制散水，确保巷道内保持低水量。每个措施的实施应考虑渗流模型的预测数据和现场水文地质情况，确保防水方案能够适应实际施工条件，从而保障施工安全。

四、基于渗流理论的掘进巷道施工方法设计

4.1 施工方案制定的原则

巷道掘进施工方案需基于“安全优先、经济合理、风险可控”的原则。结合鑫鑫煤业的案例，施工方案应详细考虑老空水层分布特征，合理设计掘进顺序，确保各环节施工时水害风险可控。在制定方案时，还需注重前期准备，明确注浆、监测等细节，确保施工操作有据可依。合理的方案制定既可降低突水风险，也可节约施工成本，是实现水害防控与掘进效率平衡的关键。

4.2 渗流理论指导下的掘进工序优化

渗流理论为优化掘进工序提供了数据支持，可依据老空水层的渗流路径及流速等特点，合理安排掘进顺序和进尺。在鑫鑫煤业的案例中，运用“短掘、短探、短注”方式有效控制了水害风险。此外，通过调整施工进度、优化掘进角度与速度，可以将水害影响降至最低。结合渗流理论的工序优化，不仅提升了掘进安全性，还加快了工程进度，确保掘进工作在高效、安全的条件下推进。

4.3 施工过程中防水设备及材料的选择

防水设备和材料的选择直接影响施工质量与安全性。鑫鑫煤业在回风返上山掘进中使用了注浆泵、排水管等设备，选取了具有高粘度、快速凝固性能的注浆材料，以确保封堵效果。防水材料应具备耐压性和抗渗性，适应高水压条件。设备选择则应考虑抽水量与耐久性，确保在高水流量情况下设备运行稳定。合理选择材料和设备，不仅能提升防水效果，还可显著提高施工的整体效率。

4.4 老空水层影响下的施工安全保障措施

施工安全保障措施是掘进过程中不可或缺的环节。在老空水层影响下，应提前构建完善的安全监测、预警与应急救援系统。鑫鑫煤业在回风返上山贯通时，现场安装了实时监测系统、建立了围堰排水装置，并设置了紧急疏散方案。遇到突水等紧急情况时，施工人员可以快速撤离，并通过围堰、排水沟等设备有效控制水流。安全保障措施的制定，确保了施工人员在高风险环境下的生命安全和施工顺利进行。

五、结论

本文基于渗流理论，对掘进巷道遇老空水层的水力特性进行了系统分析，提出了切实可行的水害防控和施工方法。研究表明，老空水层的水力特性显著影响巷道掘进的安全性，通过建立渗流模型可有效预测水害的发生趋势，为掘进施工提供科学依据。基于渗流理论的防水措施能够提高掘进巷道的防水效果，同时优化了施工方案，显著降低了水害风险。本文研究为类似地质条件下的巷道掘进提供了理论和技术参考，但在实际应用中，仍需结合现场具体地质情况进行调整。未来研究可进一步细化模型参数，并考虑动态渗流特性对水害的影响，以更全面地提升巷道掘进的安全保障水平。

参考文献

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