大埋深底分層工作面應力集中區域防治水技術可行性研究與應用

王超 王志遠 梁化磊

一、礦井概況

焦作煤業（集團）有限責任公司趙固二礦井田位于焦作煤田東部，太行山南麓，行政隸屬新鄉市所轄輝縣市，其地理坐標為東經1133740″～1134800″～，北緯352200″～352630″。

二、12012工作面概況

12012工作面位于二盤區北部，設計標高-556～-580m，為已回采結束的12011工作面底分層。西鄰二盤區大巷煤柱，東側及北側為F30斷層防隔水煤柱，南鄰12021工作面采空區。煤層傾向202～270°，傾角3.0～5.5°～根據12011工作面煤厚資料分析，底分層煤層厚0.6～3.3m，平均厚2.49m;全煤段煤厚5.8～6.1m，平均厚6.0m。

三、底板加固效果驗證方案

12011工作面回采前已對底板進行注漿加固及改造，加固深度為煤層底板下85m，共完成鉆孔110個，進尺18093m，總出水量5253m/h，總注漿量13808.4t。經回采驗證，工作面未出現突水現象，說明煤層底板下85m隔水層厚度能夠承受深部灰巖含水層水頭值。考慮工作面回采后底板破壞深度，為保證安全，所以本次設計鉆孔深度為煤層底板下垂距92m。

四、研究背景

趙固二礦12012工作面驗證鉆孔普遍設計為二級套管，設計要求一級套管直徑為127mm，下至二1煤層底板垂距7m，二級套管直徑為108mm，下至L9灰巖底板下垂距5m。穿巷道鉆孔設計為三級套管，一級套管直徑為146mm，二級套管直徑為127mm，三級套管直徑為108mm。設計的第三級套管原則上必須下過L8灰巖。

（一）穿巷鉆孔施工中出現的異常情況

1.上2-5鉆孔，為穿巷道鉆孔，朝向12021工作面采空區施工，鉆孔終孔驗收水量為2.6m/h，注漿量達到695.79t，注漿時長為12天。

2.上3-1鉆孔，為穿巷道鉆孔，2019年8月31日在孔深101m出水35.7m/h，開始地面注漿，至9月3日地面泵量達到3檔，井下注漿壓力達到10.5MPa時，切眼通尺40m處出現頂板下沉、底板鼓起的異常情況。9月7日，透孔后，在套管內30m處，套管外61m、80m處，分析對鉆孔做耐壓試壓，試壓壓力均達到15MPa，套管的下設和耐壓均符合設計要求。

3.上3-11檢鉆孔，為切眼外側鉆孔，設計為二級套管，切眼擴刷之后，鉆孔斜穿切眼巷道。2019年11月25日在孔深104.5m出水14m/h，開始地面注漿，26日注漿結束。11月27日零點班開始透孔，四點班透孔至70m，準備下設三級套管，增強鉆孔抗壓強度。在起鉆時，孔深11m處出現卡鉆現象，重新下鉆順孔，在孔深9m處套管縮徑變形，Φ94mm鉆頭過不去，因變形深度較淺，區隊計劃立即報廢封堵該孔。28日零點班，地測科對該孔測斜，檢驗下設套管長度，測斜儀前端安裝Φ75mm鉆頭，測斜39m后起鉆，向孔內下入Φ50mm抽采管21m就下不動，因抽采管下設深度淺，隨即將抽采管起出，重新下Φ75mm鉆頭透孔，但此時75mm鉆頭也無法穿過9m變形處，起鉆再次下抽采管，只能下設到孔深10m位置。目前，該孔已報廢封孔。

4.下1-5鉆孔，為穿巷道鉆孔，穿過12012工作面下順槽和12011工作面上順槽老巷。該孔在下設二級套管之后、鉆進三級套管的過程中，先后2次出水達到3m/b，均采用了井下注漿的方式堵水，注漿壓力均達到15MPa。2019年11月22日鉆進至53.7m，達到下設三級套管位置時，出水7.3m/h，因水量較大，與地測科商議后，于23日開始地面注純水泥漿，地面泵量為3檔，井下注漿壓力為4.5MPa。11月27日四點班，該孔注漿量達到171.92t，泵量、注漿壓力不變，但在鉆場以里、距孔口21.5m處巷道下幫底部的一個錨索出現漏漿（錨索距底板0.5m），停止注漿后，漏漿消失。28日透孔時，孔深13m、18m處分別出現套管變形，無法下設三級套管。目前，該孔已報廢封孔。

（二）異常情況原因分析

以上4起異常情況，均為穿巷道鉆孔發生。其中，3起涉及到套管問題，2起發生套管變形、造成事故，且這2起事故鉆孔均是在巷道掘進、擴刷之后不久施工（應力集中區域），事故發生位置均在下設二級套管之后，未下設三級套管。通過鉆孔測斜判斷，套管下設長度符合設計要求;而從之前的鉆孔注漿情況來看，套管耐壓也符合要求。此外，鄰近的12021工作面的采后底板破壞深度來為33.1m（實驗計算所得），其位置處于L8灰巖內，而12012工作面鉆孔的二級套管設計長度為L9灰巖底板下垂距5m，距離L8灰巖頂仍有5～6m。

綜合以上情況，可以得出：12012工作面底板破碎深度已達到L8灰巖位置，尤其是巷道下方，應力集中、圍巖松散、不穩定，巷道斷面越大，底板破壞越嚴重，對穿巷道鉆孔的破壞也越大，且破壞速度極快。

五、實施內容

為解決應力集中區域穿巷鉆孔套管變形問題，我隊積極采取措施，組織技術、施工人員進行商討，優化施工方案，最終將12012工作面上3-11檢、3-12檢、3-13檢施工完成。

六、創新點

1.在應力集中區域施工穿巷鉆孔時，調整施工順序，待工作面切眼巷道擴刷底板穩定后進行施工，避免應力集中導致套管變形;

2.參考底板破壞深度，優化套管設計，將套管盡可能下過含水層（L8灰巖），避免鉆孔遭到破壞后，形成人為導水通道，將底板深部承壓水引入工作面;

3.在應力集中區域施工時，采用逐級下設套管的辦法，搶時間、迅速穿過破碎帶。但固管、耐壓等標準需要適當降低，因破碎帶裂隙發育，竄漿嚴重，吃漿量大，固管、試壓不易上壓，反復注漿、試壓耽誤時間，且擾動圍巖。但一定保證最后一級套管的耐壓強度;

4.健全能夠快速反應的事故處理機制，發現事故苗頭，能夠快速反應，作出處理，遏制事故擴大。

七、適用范圍和條件

該施工技術方案在我礦12012工作面上順槽3號鉆場施工試驗成功，有效的將鉆孔成孔，確保工作面安裝、回采，該種施工方案不但可以用于應力集中區域工作面切眼，還可延伸至巷道中所有穿巷鉆孔，看似平常的優化方案，效果卻異常有效。

作者簡介：王超（1985-），男，漢族，河南焦作人，地質勘探工程師。