定向鉆探技術疏放上覆煤層采空區積水技術研究

郭星星,孟曉峰

(山西晉城煤業集團 成莊礦鉆探隊,山西 晉城 048000)

隨著井田向深部延伸,下組煤各項系統已初步形成。根據《礦井底板擾動規律研究報告》,成莊礦3#煤層開采對底板的破壞深度平均達到19 m,構造區域深度可達32 m,而成莊礦15#煤層開采上三帶[1]導水裂隙高度可達55 m,3#煤和15#煤之間的平均間距約為80 m～90 m。因此下組煤層回采過程中,在構造區域很有可能將3#煤層采空區積水導通,形成涌水通道,進一步引發水害事故,為此,必須在下組煤開采前對上方的3#煤采空區積水進行疏放。

1 XV1307工作面基本情況

1.1 XV1307工作面水文地質情況

XV1307工作面走向長1 514 m,傾斜長200 m,區域直接頂和老頂為8.92 m厚的石灰巖,深灰色,致密堅硬。工作面距上方3#煤平均間距90 m左右,中間夾有多層含水層,K2、K5富水性較弱,K5灰巖位于3#煤以下25 m左右,K2灰巖是15#煤的直接頂板,工作面回采過程中,頂板塌陷可能會形成導水通道,造成K2、K5灰巖水下滲至工作面,造成工作面涌水量增大。

1.2 XV1307工作面上方采空積水情況

1)3303面于2001年回采結束,工作面由切眼至停采線整體呈現下坡趨勢,但工作面切眼以南280 m位置發育一背斜,導致工作面切眼位置較低,積水位置位于XV1307切眼正上方,面積約為1.3萬m2,積水量2.85萬m3,這部分積水對XV1307工作面初期回采的威脅較大;3303停采線位置存一部分積水,面積約3.7萬m2,積水量約為4.4萬m3,對XV1307面后半段回采影響較大。3303面3#煤層底板標高為674 m～730 m,15#煤層底板標高為590 m～645 m,因此預計水壓在0.29 Mpa～1.43 Mpa之間。

2)3304面于2004年回采結束,工作面與3303面相似由切眼至停采線方向呈整體下坡趨勢,積水區位于3304切眼位置,位于XV1307面切眼上方偏北,面積約4.67萬m2,積水量約8.8萬m3,1307面回采前需對其進行疏放。3304面3#煤層底板標高為670 m～720 m,15#煤層底板標高為580 m～645 m,因此預計水壓在0.25 Mpa～1.40 Mpa之間。

3)3303、3304面巷道掘進過程中曾經揭露小煤窯巷道,位于13072巷930 m～1 115 m區間上方,預計回采后,小煤窯巷道積水會成為采空區的充水通道,將上覆砂巖裂隙水導至采空區,初步預計老窯積水量5 000 m3。

圖1 XV1307工作面上覆采空積水區及放水鉆孔布置示意圖

2 放水鉆孔設計及施工

2.1 XV1307工作面放水鉆孔設計

為確保XV1307工作面安全回采,根據《煤礦安全規程》《煤礦防治水細則》等規程規定的要求,結合實際生產需要,進行3#煤層采空區積水探放水設計。本次共設計3組鉆孔,每組鉆孔3個方向。鉆孔詳細參數如表1所示。

表1 各鉆孔參數表

2.2 探放水鉆孔的開孔、終孔位置

設計探放水鉆孔選用鉆頭96 mm規格,為保證鉆機機身的穩固和方便放水鉆孔的施工,并且保證放水孔有較好的放水效果,減少堵孔塞孔現象,終孔層位應避開巷道,且終孔點設計在采空區原頂板向下1.5 m～2 m處。

2.3 鉆探設備及孔口裝置安設

鉆探設備:鉆機:ZDY-4 000LD;鉆桿:Φ73 mm通纜鉆桿; 鉆頭:Φ96 mm。

孔口裝置安設:根據水頭高度、水壓和《煤礦防治水細則》確定孔口管埋設長度,安裝孔口管直徑150 mm×10 m,采用濕式排渣鉆進10.5 m后,退出鉆桿,下置10 mΦ150 mm套管,并進行固定,見圖2。

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圖2 定向鉆機孔口閥門和套管

2.4 封孔工藝及耐壓試驗

封孔材料:石膏、普硅525#水泥、速凝劑。

封孔工藝:將普硅525#水泥摻入3%的速凝劑,摻勻稱后,加入少量的水拌勻成水泥漿,用注漿泵將水泥漿注入鉆孔內,進行固管。待水泥漿凝固24 h后進行掃孔,掃孔深度應超過孔口管長度0.5 m,見圖3和圖4。

圖3 注漿設備連接示意圖

圖4 鉆孔注漿示意圖

耐壓試驗:待注漿固結套管48 h后,對封孔進行耐壓試驗(壓力值為水頭的1.5倍),試驗合格后,在鉆孔施工時, 孔口管需加設6寸閘閥(包含水壓表)、流量表、U型防瓦斯裝置,采用法蘭相互連接,以確保鉆孔施工放水安全。最后用Φ96 mm鉆頭施工至終孔,確保在鉆透老空區后要根據排水能力大小,調節閘閥,控制放水[3]。

2.5 接近、鉆透老空區及放水措施

1)鉆孔達到設計終孔層位后,地測防治水人員應對鉆孔深度進行丈量,并根據孔內煤巖性預測鉆孔偏斜情況。

2)快要揭露采空區積水之前50 m,要檢查現場排水系統。

3)快要揭露采空區積水之前20 m,檢查孔口管的牢固情況。

4)鉆進過程中,一旦發現“見軟”“見空”“見水”和“變層”,要立即停鉆,丈量殘尺并記錄其深度,檢查有無有害氣體溢出[4]。

5)若鉆透老空時水量較小或無水時,應反復下鉆以防鉆孔被堵,造成水流干假象,引發事故,如果鉆孔出水量較大時,不能拔出鉆桿,應及時關閉孔口閥,控制放水。

6)鉆透采空區積水后不要立即拔出鉆桿,待穩定后,方可拔出鉆桿,調節閥門,控制放水量[5]。

7)發現積水位下降緩慢或久放不降等異常,必須查明原因。對另有水源補給者,必須先封堵水源,然后再進行放水。對可能存在的“孤立區”或“滯流區”,應通過分析補打鉆孔處理。

3 放水鉆孔施工效果

3.1 鉆孔施工計劃

根據XV1307工作面水文、地質條件,預計垂距0～70 m區間巖體較好,適合定向設備施工;垂距70 m～90 m區間,因3#煤層開采對底板的破壞嚴重,若繼續使用定向鉆機施工,很可能會發生卡鉆的情況,會造成鉆探成本大大增加。因此,在實際施工過程中,在垂向上前70 m使用定向鉆機的定向設備進行施工,在垂向上70 m以上的區段改為定向鉆機配合普鉆鉆桿旋轉施工,見圖5。

圖5 13072巷1#放水鉆孔剖面圖

3.2 鉆孔施工放水情況及放水效果

3.2.1鉆孔施工放水情況

放水效果:XV1307面上覆煤層采空區積水疏放工作施工135 d。目前對上覆3#煤采空積水的疏放,鉆場內各鉆孔涌水量合計達到12 m3/h,累計放水383 000 m3。通過對上方3303采空區密閉墻涌水量的跟蹤觀測,發現密閉墻涌水量已明顯減小,初步實現了放水目的，具體如表2所示。

相比傳統鉆探放水,定向鉆探技術疏放水工作具有的優勢相當明顯:

1)可精確定位,有效達到預定目標,減少無效鉆孔施工及鉆孔偏移量。

2)可以實現長距離放水鉆孔施工,相比傳統鉆機具有優勢。

3)可以增加對異常涌水的反應時間,增加施工人員的安全性。

4)定向鉆探設備的應用,大大提高了鉆孔施工效率和放水效率。

5)在與采空區探透后,在積水區域老空水會通過鉆孔進行疏放;無水區域,在探透后,采空區內瓦斯和CO等氣體進行立體抽放,及時解決采空區瓦斯問題。

表2 1307工作面上覆煤層采空區技術放水鉆孔參數表

Table 2 Water drainage drilling parameters in overlying coal seam goaf on 1307 working face

孔號位置孔徑/mm施工變化傾角/(゜)分支數孔深/m出水位置/m施工時間/d有無出水 113072巷968～3312312251250 m3/h→10 m3/h 213072巷9614～2812382301315 m3/h→2 m3/h 313071巷反掘968～50423723426少量 413071巷反掘9625～54116516210少量 513071巷反掘9625～47117717510少量 613071巷反掘9626～38116816513少量 713072巷9621～34119019410少量 813072巷9615～2212282237少量 913072巷9620～371171163715 m3/h→2 m3/h 1013072巷9614～2622362301715 m3/h→2 m3/h 1113072巷9617～27120820510少量

4 結論

XV1307工作面上覆煤層采空區積水放水鉆孔的成功施工,標志著利用定向鉆探技術疏放上層采空區積水是可行的。定向鉆探技術在疏放上覆煤層采空區積水疏放技術,有效疏放工作面上方的采空區積水,為下組煤采面的安全回采提供安全保障,并幫助礦井初步建立了下組煤開采疏放上層采空區積水的模型,豐富了防治水人員的經驗,為礦井建立可靠的疏放上層采空區積水方案奠定了基礎。