提高探水鉆孔套管加固技術措施研究

左龍飛

（潞安集團司馬煤業公司，山西 長治 047105）

1 概述

潞安集團司馬煤業公司1207巷位于井田二采區，巷道設計長度為1611m，巷道斷面規格為寬×高=5.0×4.5m，回采煤層為二疊紀3#煤層，平均厚度為6.95m，煤層成層狀，結構復雜，含多層夾矸。

根據三維地震及電法勘探顯示，1207巷掘進范圍內頂板往上7.0～9.5m范圍共有富水區域2處，為頂板砂巖裂隙含水層水。同時由于工作面范圍內地質條件較為復雜，斷層及較大的褶曲構造發育，工作面內煤層起伏變化較為明顯。在斷層附近和褶曲轉折端會造成煤層及頂板裂隙發育，出現頂板錨索淋水現象，向斜軸部還會形成積水區。根據地測科提供水文地質資料及鄰近1206綜采工作面回采過程中頂板淋水情況，預計積水量達8744m3，水壓為0.95MPa,威脅著巷道掘進安全。

為了保證巷道掘進安全，1207巷掘進前期采用探水鉆孔對頂板積水進行探放，掘進巷道迎頭共計布置5個（1#～5#）探水鉆孔，鉆孔深度為70m，仰角為5°，具體參數如表1所示。

表1 1207巷探水鉆孔技術參數

2 前期探放水鉆孔套管安裝主要存在的問題

（1）孔口套管安裝深度不足。1207巷前期掘進階段，探放水施工過程中套管安裝深度確定為12m，封孔終孔位置位于掘進煤體卸壓區內，煤體松軟不穩定，鉆孔套管安裝后繼續施工導向鉆孔，然后在套管外露端安裝法蘭盤、壓力表以及控制閘閥，對頂板上覆巖層積水區進行放水。由于積水區水壓較大，在放水過程中，積水在壓力作用下從卸壓區煤體裂隙滲出，不僅增加煤體破碎范圍，而且很容易出現透水事故。

（2）孔口套管加固工藝不合理。1207巷前期探水鉆孔施工且安裝孔口套管后，采用水泥砂漿進行套管加固，由于水泥砂漿滲透效果、粘接性差，采用該方法進行套管加固后，對孔口壁及四周煤壁巖體裂隙區封堵效果差。通過實際鉆孔觀察發現，水泥砂漿滲透深度僅為1.2m，封孔效果差，在放水時容易出現鉆孔竄動、噴管現象。

（3）安全措施不到位。由于1207巷掘進煤層為二疊系3#煤層，煤層膠結穩定性差，煤體單軸抗壓強度不足15MPa，受鉆孔施工擾動及積水壓力影響，在放水過程中，工作面煤體很容易出現片幫現象，頂板出現破碎、冒落現象，不僅降低了鉆孔封孔質量，而且很容易出現掘進工作面煤體大面積垮落事故。

3 提高探水孔套管加固效果技術措施

司馬礦探放水隊通過技術研究，為了提高鉆孔套管安裝質量決定通過施工校驗鉆孔確定鉆孔深度，并采用“兩堵一注”工藝進行套管加固。同時為了保證探放水施工安全，決定采用注漿支護加強煤體穩定性，安裝π型鋼棚加強頂板支護。

3.1 封孔深度確定

通過施工校驗鉆孔，根據鉆孔施工過程中每米產生的煤屑量確定煤體內穩定區深度，保證套管安裝終孔位置位于穩定巖體內。

3.1.2 鉆孔煤屑量法原理

受巷道開挖應力、上覆巖層重力以及構造應力等集中作用，巷道在掘進過程中煤體前方一定范圍內出現應力破壞現象，從而使煤體往里依次形成應力破壞區（破碎區）、應力破壞減弱區（卸壓區）以及應力穩定區三個區域。

在煤體內施工校驗鉆孔時，破碎區內煤體膠結穩定性差，導致鉆孔成型效果差，鉆孔出現塌孔現象，施工鉆孔時產生的煤屑量多；隨著鉆孔深入，在卸壓區內煤體受壓逐漸降低，鉆孔成型效果得到改善，產生的煤屑量逐漸減少；當鉆孔深入至穩定區內，圍巖應力趨于平衡，鉆孔成型效果好，且每米鉆孔產生的煤屑量相對穩定。

3.1.2 施工工藝

（1）首先采用鉆機在工作面施工三個校驗鉆孔（1#、2#、3#），鉆孔深度為30m，鉆孔間距為1.5m。安排技術人員記錄鉆孔每米產生的煤屑量，并繪至煤屑量變化曲線圖。

（2）通過實際觀察記錄發現，三個校驗鉆孔在前8m范圍內平均產生的煤屑量4.4kg/m；在9～21m范圍內平均產生的煤屑量3.5kg/m，且趨于下降趨勢；在22～30m范圍內平均產生的煤屑量為2.9kg/m，且趨于穩定。如圖1所示。

（3）根據校驗鉆孔產生的煤屑量分析可知，鉆孔在0～8m范圍內為煤體破碎區，在9～21m范圍內為煤體卸壓區，在22～30m范圍內為煤體穩定區。為了保證封孔質量，應將孔口套管底端安裝在穩定區內，所以最終確定1207巷孔口套管安裝深度為24m。

圖1 校驗鉆孔單米產生的煤屑量變化曲線圖

3.2 “兩堵一注”套管加固工藝

（1）首先采用ZDY4000S型探放水鉆機配套直徑為75mm合金鉆頭以及中空鉆桿進行鉆孔施工，鉆孔具體位置及相關技術參數嚴格按照現場技術人員及規程措施要求進行施工。

（2）探水鉆孔開口25m后停止鉆進，將普通鉆頭更換為直徑150mm擴孔鉆頭，并對鉆孔進行擴孔施工，擴孔后及時將鉆孔內煤屑清理干凈。

（3）擴孔后對鉆孔內安裝孔口管，每節孔口套管長度為5.0m，直徑為120mm，共計安裝5節。相鄰兩節孔口管采用絲扣式連接,在孔口套管外露端分別安裝壓力表及法蘭盤。

（4）孔口套管安裝后對管底部注射膨脹水泥進行封底，封底長度為0.5m，如圖1所示。封底后在其底端安裝一個型號為PKJW型環形封孔器，封孔器膨脹壓力為0.5～0.9MPa，封堵長度為0.5m。

（5）孔口管底端封堵后，在管壁與煤壁之間埋入一根直徑為20mm注漿鋼管，埋管深度為18m，注漿鋼管外露端分別與流量控制閥、高壓注漿泵進行連接。注漿鋼管埋入后在距孔口1.0m處安裝一個PKJW型環形封孔器，并采用膨脹水泥進行封口處理，使封孔段形成環形封堵空間，如圖2所示。

（6）采用高壓注漿泵向環形封堵空間內高壓注射PKL-1型封孔注漿材料，注漿壓力為1.1MPa。注漿時先高壓后低壓，先大流量后小流量，注漿一段時間后壓力穩定不變且保持10min以上停止注漿。

（7）封孔3h后，對封孔段進行注水耐壓試驗，注水壓力為2.0MPa，時間不得低于20min。耐壓試驗期間孔口附近煤體無滲水、孔口管無竄動現象時，確定為封孔質量合格。

圖2 “兩堵一注”孔口套管加固施工示意圖

3.3 安全技術措施

為了進一步提高鉆孔孔口套管加固質量，防止防水過程中因煤壁、頂板破碎，導致降低鉆孔套管安裝質量，發生透水施工，決定在放水施工前對封孔附近煤壁進行注漿加固，對頂板架設π型鋼棚。

（1）注漿加固技術。在注水鉆孔孔口1.0m處施工四個注漿鉆孔，鉆孔成環形布置，鉆孔直徑為40mm，深度為8m，注漿鉆孔與注水鉆孔傾斜角一致。注漿鉆孔施工完后采用ZBQ50/6型氣動注漿泵對鉆孔注射馬麗散粘合劑，注漿壓力為0.9MPa。

（2）架設π型鋼棚。π型鋼棚主要由頂梁、棚腿、底座等部分組成。探水鉆孔施工前，在工作面煤壁處架設一排π型鋼棚，共計架設5架，間距為1.0m。鋼棚架設后，在棚腿與煤壁之間安裝水泥背板（預留探水鉆孔位置），防止放水時壓力大，沖垮煤壁，發生透水事故。

4 結束語

潞安集團司馬煤業公司探放水隊通過技術研究，對巷道前期掘進階段探水鉆孔孔口套管安裝過程中主要存在的問題進行合理分析，提出了鉆孔校驗法確定了套管安裝深度為24m，以及提出了“兩堵一注”套管加固工藝，并對煤壁采取了注漿以及架設π型棚進行加固。通過實際應用觀察發現，施工巷道在后期共計施工45個探水鉆孔，其中干孔為11個，放水孔為34個，共計放水量為8212m3（前期已放水529m3）。在放水過程中未出現一次因套管安裝質量不合格，出現鉆孔竄動、煤壁滲水等現象，提高了封孔質量，防止了透水事故發生，取得了顯著成效。