探放層間距大于110米上覆采空積水技術研究及應用

劉振雄

（大同煤礦集團大同地煤青磁窯煤礦，山西 大同037000）

1 礦井基本情況

1.1 礦井概況

青磁窯煤礦始建于1957年，現礦井核定生產能力為120萬噸/年，井田面積10.8851km2。井田位于大同煤田的東北部，井田的東部為煤層露頭線，東部煤層傾角大，中、西部基本為近水平煤層，總體為一個走向南北的單斜構造。東部為青磁窯逆斷層構成本井田的東屏障，是煤層的露頭線。區內構造較為簡單，斷層不多，斷距不大（區內f1斷層落差最大為12米，其它揭露的斷層落差在2米左右）；在歷年的開采過程中共揭露6個陷落柱，已揭露的最大陷落柱的直徑為75米。

1.2 煤層賦存情況

井田內共 6 層可采煤層， 分別為 2-2、3、7-1、11-1、12-2、14-2煤層，均為侏羅紀煤層。分為兩個水平進行開采。一水平開采2#、3#、7#層；二水平開采 11-1、12-2、14-2煤層。 2#、3#煤層已開采結束， 現開采 7#、11#煤層。

1.3 礦井開拓開采方式

開拓方式：立井—斜井混合開拓方式。共有6個通向地面的井筒，分別為主井（箕斗井）、副井（罐籠井）、東山回風井、竹林寺回風井、材料斜井和舊主斜井。

開采方式：按水平進行集中開采，各煤層中部南北向布置集中大巷，集中大巷的東、西兩側分盤區進行開采。

采煤方法：刀柱式采煤和走向長壁采煤法。

1.4 主排水系統

井下有三個中央水倉和一個輔助水倉，現行的排水系統有四趟直徑為6寸的水管及一趟直徑為4寸水管將礦井水直接排至地面。礦井正常的排水能力為250m3/小時，最大排水能力為400m3/小時，而礦井最大涌水量平均為98m3/小時，礦井綜合排水能力能滿足安全生產需要。

2 水文地質條件

本區位于大同煤田北部的東南邊緣，地表覆蓋薄，屬典型的低山丘陵地貌，黃土覆蓋率低，植被稀少，降水少且強度集中，不利于大氣降水的入滲補給，區內無常年地表水體，地表泄水條件良好；井田內煤層屬于深部開采煤層；含水層單位涌水量＜0.1L/s.m，采掘工程不受水害影響；年平均最大涌水量66-105m3/h。礦井水文地質類型屬中等型。

目前礦井采空積水量可觀，預計達93萬M3，是礦井的主要水害，包括井田內小窯采空積水和本礦原來的采空積水。在進行采掘活動時，必須對上述采空積水采取有效探放，排除水患，確保礦井安全生產。

3 防治水措施

3.1 建立完善的探放水管理制度

一是設立專門的地測防治水機構；二是成立了專業的探放水隊；三是井下配備專用探水鉆機17臺，物探儀一臺。探放水裝備數量足，性能優，滿足了礦井探放水工作需要。

3.2 嚴格執行“有掘必探、先探后掘、先放后采”的探放水原則

根據礦井地質構造情況，綜合分析，在掘進期間，主要針對同層采空積水開展探放水工作；在回采工作面形成后，主要針對上覆采空積水進行探放。待探放水工作結束，解除水害威脅后，方可進行回采工作。

上覆采空積水的防治受多種因素的制約，一般情況層間距＜70米時，能有效利用現井下鉆機，從待采工作面兩順槽向上施工放水孔，進行探水和放水作業；層間距＞70米時，必須雇傭專業隊伍利用地面鉆機從地面施工鉆孔，先穿過上部采空積水區，下設套管，再繼續向下鉆進，至待采工作面的兩順槽巷或大切眼，即通過地面鉆孔將上部采空積水放到待采工作面巷道，再由井下排水設備將水排出地面。

4 特殊地段探放水技術研究

青磁窯煤礦7#-11#層間距70米，3#-11#層間距為110米，因7#層部分區域為煤層沖刷帶未開采，需從11#煤層施工鉆孔探放3#層小窯采空積水。這樣一來，3#-11#層間距＞100米，利用礦現有的ZYJ-1000/135鉆機來施工放水孔，已是不可能的事，必須雇傭專業地面鉆機來實施探放水工作。

地面鉆探方案設計如下：

11#層406盤區8604工作面參數：長×寬×高=1400m×170m×2.5m；上覆7#層為實體煤（煤層不可采），上覆3#層為原兩個小煤窯（現已關閉）的破壞區，小窯的開采方式為倉房式，采掘資料缺失，積水范圍不清。針對上述情況，根據11#層底板等高線資料，初步在地面設計鉆孔8個，每孔深400米；鉆孔施工總費用240萬元；鉆孔施工期為3個月（不包括放水時間）；

存在問題：該工作面對應地表為山地，溝谷縱橫，鉆孔定位困難，測量工程量大；對應地面無路，大型鉆探設備受地形影響，搬運困難，還需增加修路費用；地面鉆機在施工過程中，還需供水，附近無水源，供水只能通過汽車拉運，費用也不少；3#層為原兩個小煤窯 （現已關閉）的破壞區，小窯的開采方式為倉房式，采掘資料缺失，積水范圍不清，施工的鉆孔有可能進入3#層煤柱，導致鉆孔報廢，還需重新選位開鉆，鉆孔成功的幾率最大為50%，增加了鉆探工程量，費用將成倍增加，工期延長，將嚴重影響礦井的采掘接替。

綜上所述，探放11#層406盤區8604工作面上覆3#層采空積水困難多，利用施工地面鉆孔的方案，無法及時達到預期的目的。

為此，礦嘗試用井下ZYJ-1000/135鉆機進行極限作業，在該工作面順槽口向上部3#層施工放水孔，鉆孔仰角設計為70度，按100米層間距計算，打到3#層需鉆進107米。鉆桿每米重25kg，則鉆機要克服2.7噸重鉆桿的重量，鉆探難度大，尤其快到末端時，加裝鉆桿危險大，存在重大安全隱患。

在嚴格安全技術措施情況下，向極限沖刺。當鉆進至90米時出現了鉆機上水不足、油管崩裂、油缸迸裂、鉆桿滑落、馬達聲音異常、鉆機啟動困難等一系列問題。礦組織技術人員在井下現場進行技術攻關，同時在廠家的配合下成功解決了探放層間距大于110米上覆采空積水的難題。

4.1 改進封孔措施

層間距大于100米的水壓大于1MPa，必須有可靠的封孔措施。

①加長封孔器，采用2.5米長膠囊式封孔裝置。

②封孔器采用錨桿固定和單體支柱支撐兩種方法。

③在閥門前設置引流彎頭，可隨時將高壓積水引流至應急排水系統。

④設置防沖板，防止高壓積水傷及工作人員。

4.2 確定最佳鉆孔參數

通過對煤層間巖層結構、鉆桿重量、鉆桿和鉆孔壁之間的摩擦力等因素的綜合計算分析，確定鉆孔仰角在50-65度之間為最佳仰角；預測積水位置，根據層間對照圖確定鉆孔方位角，提高探放效率。

4.3 改進鉆機支撐系統

原回轉鉆機支撐系統為單液壓立柱，受鉆桿推進力矩作用，鉆具穩定性小，鉆桿擺動大。改進為雙液壓立柱支撐系統可使鉆具受力均衡，穩定性和工作效率大大提高。

4.4 改進鉆具推進系統

鉆具推進系統由托架、滑道、拖板、液壓油缸、液壓擺線馬達、鉆機泵及其回轉裝置等組成，將鉆機泵改用63/10型，流量可達到90L/min，馬達改用490型，油缸缸徑為100mm,推進力為原來的1.5倍,額定轉矩為1300-1400N.M，改進后可大大提高了破巖速度，增加鉆程。

4.5 改進鉆桿挾持裝置

原鉆機在加裝鉆桿或退桿時，上部鉆桿由人工用特制扳手固定，結構雖然簡單，但鉆桿多的時候，鉆桿自重大，容易出現鉆桿固定不牢，發生滑落，作業人員安全受到很大威脅。在整個施工過程中，操作人員又靠近鉆機，若發生鉆機油管崩裂，油管在空中飛舞，作業人員易受到傷害。為此，和廠家協商，鉆機加裝了液壓挾持鉆桿裝置，這樣一來，提高了鉆機加裝鉆桿或退桿的可靠性，作業人員可遠離鉆機進行操控，提高鉆探作業過程的安全。

5 鉆機改進后，探放水實施情況

經過一個多月的探索研究，改進鉆機2臺，改進后的鉆機在一個月時間內，成功地在井下11#層406盤區8604工作面巷道向上施工了11個放水孔，鉆孔深度在110-130米之間，其中3個孔有水，3個孔進入3#層煤柱報廢，5個孔和3#層采空打通無水。截止目前3個孔累計排放上部3#層小窯采空積水248000立方米，徹底解放了11#層406盤區8604工作面上覆積水壓煤儲量90余萬噸，保證了礦井的正常接替。

6 經濟效益分析

改進后的探放技術，適用于多種鉆探需要，工藝適用性強，可用于井下鉆進地質勘探孔、放頂孔、抽放瓦斯孔、注水孔、放水孔、電纜孔及其他工程用孔。鉆孔位置精確，精度高。

通過改進后的探放技術的應用，成功實現了層間距110米以上上覆采空積水的探放水作業，不僅及時排除了安全隱患，而且創造出巨大的經濟效益。

以青磁窯煤礦11#層406盤區為例，通過改進后的探放技術的應用，探放水隊向3#層小窯破壞區成功施工鉆孔21個（包括8602工作面），效果好，成本低。如聘請外委單位從地面施工21個孔，每一個孔400米深，單鉆探費用將達到630萬元，不包括配套設施費用，并且施工工期長，準確率低，不能滿足生產的需要。

新技術的應用不僅節省了大量人力和物力，而且為青磁窯煤礦的安全生產贏取了寶貴時間。

［1］煤礦防治水規定[S].