煤礦井下綜采防水技術(shù)的應用

張博曠

（同煤集團挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

5136 綜采面為挖金灣煤業(yè)新投入的綜采作業(yè)區(qū)，工作面是 5 號煤層 965m 水平 513 采區(qū)第六個回采工作面，上距4 號煤層平均間距17.30m。煤層厚度 5.81～13.26m，平均為9.70m，可采性指數(shù)為1.2，煤厚變異系數(shù)為19.7%，是本區(qū)的主要穩(wěn)定可采煤層。煤層結(jié)構(gòu)相對復雜，一般含夾石3 層，局部多達8 層，夾石單層厚度一般不大于 0.60m。煤層頂板多為泥巖。根據(jù) 5136 底抽巷涌水特征，初期表現(xiàn)為頂、底板涌水及煤壁淋水，穩(wěn)定涌水量約為15m3/h，具有砂巖水的涌水特點，后期峰值涌水量較大（115m3/h）且持續(xù)沒有衰減，表現(xiàn)為煤層充水，分析為奧灰水通過導水通道進入煤層內(nèi)，給5136 作業(yè)面的正常生產(chǎn)造成了較大的影響。目前挖金灣煤業(yè)所采用的井下防水方案主要是利用鉆機鉆探后確定排水孔位置，然后利用梯形管進行排水。實際應用中發(fā)現(xiàn)該方案存在成本高、效率低的缺陷，而且管口沒有防突裝置，當水壓過大時極易出現(xiàn)突水事故，給井下綜采作業(yè)造成嚴重的影響。因此項目組提出采用超前鉆孔放水施工方案，在傳統(tǒng)鉆孔方案基礎(chǔ)上對該鉆孔方案進行優(yōu)化，提升操作效率和安全性。根據(jù)在挖金灣煤業(yè)5137 綜采面的實際應用表明，該超前鉆孔放水技術(shù)方案能夠顯著降低綜采過程中出現(xiàn)涌水的概率，具有極好的應用效果。

1 鉆孔時鉆場加固

由于現(xiàn)在的鉆機不斷向著大功率、大鉆進扭矩方向發(fā)展，鉆機在鉆進過程中的振動沖擊較大，因此對各個系統(tǒng)參數(shù)和穩(wěn)定性的要求均較大[1]，在鉆進工作中提供的鉆進力矩較大，因此必須要求鉆進區(qū)域的地基要牢固。在進行直徑大、深度長的孔洞鉆進時還必須對該區(qū)域內(nèi)的地基進行一定的處理，避免在鉆進過程中出現(xiàn)松動、垮塌。由于5136 巷道底板有浮煤及松軟地層，因此項目組制定了新的鉆場加固方案，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 煤礦井下鉆場加固結(jié)構(gòu)示意圖

2 鉆進施工

開孔是鉆孔能否達到施工要求的關(guān)鍵?！吧厦娌徽旅嫱帷保梢哉f明開孔與孔斜的關(guān)系。鉆孔的孔斜超標，就意味著鉆孔不能達到施工目的層位而造成鉆孔報廢甚至意外事故。因此開孔前一定要做好以下工作：（1）對鉆機安裝質(zhì)量進行檢查，嚴禁鉆機不穩(wěn)開孔；（2）使用質(zhì)量合格的鉆具開孔，嚴禁使用彎曲鉆具開孔；（3）開孔時要嚴格按照開孔三要素（即輕壓、慢轉(zhuǎn)、小水量）進行施工控制；（4）為了降低鉆頭在鉆進過程中剝離巖石所產(chǎn)生的切向力，采用了在巖石上預先鑿出一個鉆窩的方案，從而在鉆進時形成一個反切向力，確保鉆進時的穩(wěn)定性和可靠性。

在鉆進的過程中，由于巷道中的鉆場空間所限，采用了短鉆桿的鉆進技術(shù)方案。但由于采用短的鉆桿鉆進，在操作過程中需要不斷地停鉆進行鉆桿更換，每一次更換均會導致較長時間的停滯，而且取出鉆頭的時候又會將鉆孔底部的碎屑留在鉆孔的臺肩上，當鉆頭重新插入時，對鉆頭產(chǎn)生一個鉆進偏心力，影響鉆進的穩(wěn)定性和鉆頭的使用壽命。通過多次驗證后，在5136 綜采面鉆進時采用在每一次換接鉆桿后重新開鉆時，先不斷地輕壓鉆桿，然后以正常鉆進速度1/3 的轉(zhuǎn)速進行鉆進。雖然該方案會產(chǎn)生一定的磨合期，但能夠有效地確保鉆進的安全性和一致性。判斷孔底鉆頭與巖石面是否磨合完整的方法是，回轉(zhuǎn)壓力表的指針達到小幅均勻擺動即可。采用該鉆進方案后能夠?qū)@進效率提升10%以上。

在煤礦井下含水層鉆進過程中由于水壓較大，因此一旦觸及含水層，內(nèi)部的積水在水壓作用下就會溢出，逐漸超出孔口。如果此時不能采取有效的封堵措施，往往會造成突發(fā)性的涌水事故，導致巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此探放水鉆孔應安設鉆孔安全裝置。在5136 綜采面鉆進時要求設置鉆孔孔口管，探放水鉆孔孔口管選用地質(zhì)鉆孔套管管材，孔口管的長度根據(jù)鉆孔可能遇到的最高水壓、鉆孔孔口巖石條件等因素按《煤礦防治水細則》經(jīng)驗值選定[3]，如表1 所示。由于5136 綜采面鉆進時的最大突水壓力為2.6MPa，因此孔口管的長度設置為15m。

表1 孔口管長度對照表

探放水鉆孔孔口管材質(zhì)為地質(zhì)勘探用無縫鋼管，上部與法蘭盤焊接，管壁外以 6#鉛絲（或其他可替代金屬絲）纏繞，并用電焊焊牢。孔口管下部切割為鋸齒狀，以便于固管時出漿。孔口管裝置如圖2 所示。

圖2 煤礦井下鉆孔孔口管結(jié)構(gòu)示意圖

3 探放水孔鉆進過程中的防突方案

在鉆進過程中如果發(fā)生突水事故將造成重大的損失，因此在5136 綜采面探放水孔鉆進過程中，首次應用了防突水裝置。整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖3 煤礦井下鉆孔防突水裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在鉆孔鉆進施工中，首先在管口設置一個相應直徑的高壓閥，同時在鉆頭的后側(cè)設置一個逆止閥，確保鉆進過程如果遇見高壓水或者有害氣體時能夠?qū)崿F(xiàn)帶壓卸下鉆具。當鉆頭鉆入鉆孔以后，在鉆桿上安裝一個防止突水的封孔器，封孔器和鉆桿之間留一定的間隙，保證鉆進過程中能夠在鉆桿上來回滑移，避免不斷的人工調(diào)整。設置完成后可以打開封孔器側(cè)邊的截止閥，然后開始執(zhí)行正常的鉆進作業(yè)。在鉆進時如果遇見突水事故則可以及時關(guān)閉截止閥，然后帶壓卸除鉆桿，避免出現(xiàn)突水事故。在卸鉆頭時要注意先關(guān)閉大直徑孔口高壓閥，最后將防突封孔器前法蘭放松與鉆頭一并卸出。期間可在封孔器旁路截止閥處安置三通管路進行鉆孔內(nèi)壓力監(jiān)測。鉆孔施工完成后，可在大直徑孔口高壓閥外安裝管線以便進行可控放水或注漿封閉鉆孔。

4 結(jié)論

該技術(shù)方案采用了優(yōu)化后的鉆機布置結(jié)構(gòu)，同時對超前探放水鉆孔的探放水施工技術(shù)方案和防突方案進行了論述，結(jié)果表明：

（1）在進行直徑大、深度長的空洞鉆進時還必須對該區(qū)域內(nèi)的地基進行一定的處理，避免在鉆進過程中出現(xiàn)松動、垮塌。

（2）在鉆進的過程中，由于巷道中的鉆場空間所限，采用了短鉆桿的鉆進技術(shù)方案。在每一次換接鉆桿后重新開鉆時，先不斷地輕壓鉆桿，然后以正常鉆進速度1/3 的轉(zhuǎn)速進行鉆進，能夠有效地確保鉆進的安全性和一致性。該方案在確保鉆進安全的前提下能夠?qū)@進效率提升10%以上。

（3）在鉆孔處設置防突水裝置，能夠有效地降低在鉆進過程中發(fā)生突水事故的概率。