煤礦探放水市場化探索與思考

2021-04-06 03:22:34劉海濤

陜西煤炭 2021年2期

曹帥，劉海濤

(1.陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西彬州 713500；2.陜西省煤層氣開發利用有限公司地質研究院分公司，陜西西安 710065)

0 引言

煤礦開采過程中伴隨著水害的發生，給煤礦的安全生產帶來了巨大危害，嚴重影響了煤炭資源開采的可持續發展[1-5]。特別是隨著煤礦采掘延伸，礦井水害日趨嚴重，淹井傷人事故時有發生，嚴重制約著煤炭企業的生產[6]。鉆探是防治水工作中慣用的手法，能夠真切地反映地層的賦水情況[7]，根據巷道水文地質特征，在有突水威脅區域運用鉆孔疏排含水體[8]，有效遏制了大部分水害威脅，也大大增加了生產成本，防治水費用居高不下。在安全要求日益嚴格的新形勢下，煤炭企業急需挖掘潛力，探尋生產成本精細管理新措施[9]。在市場觀念深入人心的時代，有效辦法就是引入市場機制[10]。所謂內部市場化，就是在企業內部引入市場化機制，各部門轉變為內部市場的經營主體，各內部經營單元之間實現買賣關系[11-13]，是把行政隸屬和經濟關系有機結合的管理新機制[9]，為此許多學者展開了大量的理論研究，劉中文等[14]對市場化管理運營進行了全面的研究，張瑞玉等[15]基于內部市場化運作的煤礦成本管控體系進行了探索，山東能源龍礦集團北皂煤礦[16]對內部市場化進行了實踐，王丹等[17]在煤礦企業內部市場化精細管理的機理與動因方面作了深刻探討，劉寧寧等[18]基于內部市場化的煤礦成本精細化管理做了研究。大量研究成果推動了煤礦內部市場化的發展。針對文家坡煤礦4104工作面探放水內部市場化進行較系統的綜述，希望對煤礦降本增效、安全生產有所幫助。

1 探放水現狀

1.1 掘進工作面探放水

在巷道掘進期間，對掘進頭前方導水構造的探查是防治水工作的重點。巷道掘進前，首先采用直流電法超前探測技術，探查掘進頭前方是否存在低阻異常區，如果存在異常區則采用鉆探手段進行探查和驗證，對鉆探查明的導水構造，采用探放水和注漿封堵治理。根據文家坡礦井目前積累的資料，4號煤層裂隙含水層、頂板砂巖含水層和直羅組砂巖含水層均有一定的富水性，且各砂巖含水層富水性極不均一，因此在巷道掘進過程中，超前探測尤為重要。超前物探的主要方法為直流電法技術，電法探測掘進頭前方的含水構造及賦水異常體，這一方法在煤巷中使用效果較好，因為煤為高阻介質，在有含水構造時介質的電阻差異很大，易于發現異常；而在砂、泥巖中使用效果不好，原因是砂、泥巖為低阻層，其內的含水構造電性差異小。井下直流電法超前探測距離能達到100 m，為巷道安全掘進提供有力保障。在巷道掘進過程中，每100 m先進行井下直流電法超前探查，并根據探查結果對異常區段進行鉆探驗證，經查明后再進行掘進，確保巷道掘進安全。

1.2 回采工作面探放水

在采煤工作面布置的防治水工程主要是物探、鉆探為主，在工作面巷道形成之后開展物探探查，在工作面切眼貫通后完成探查工作。鉆探工程既要針對物探結果提供的異常區，又必須顧全整個工作面的全面疏放，主要目標是對頂板水以及可能發生的離層水進行提前疏放，為工作面安全回采提供保障。由于文家坡煤礦4號煤層頂板直羅組砂巖含水層水文地質條件復雜，且水文地質條件探查不足，因此在回采階段應進行相應的防治水探查工作，需提前疏放含水威脅區，通過疏水降壓的方式保證工作面的回采安全。探放水鉆孔的布置和超前距離根據水頭高低、煤(巖)層厚度和硬度等確定[19-23]。對已經施工完畢的探放水鉆孔要進行水量和水壓觀測，對觀測數據及時建立臺賬，以便于分析工作面回采前的水文地質條件；根據疏放水鉆孔水量觀測數據，對鉆孔的參數及時進行優化和調整，在達到疏水降壓的同時，使疏放水工程經濟合理。

2 探放水工作市場化探索

2.1 探放水方案

2.1.1 4104工作面水文地質條件分析

4104工作面范圍內煤層上覆多個含水層，延安組和直羅組含水層富水性相對較弱，雖然其與煤層距離較近但是對工作面回采影響較小；宜君組含水層厚度有限，礫巖膠結致密，含水層富水性相對較弱；洛河組含水層為主要含水層，厚度大，富水性中等；宜君組和洛河組為整合接觸，地層之間無明顯隔水層段，兩者之間存在一定的水力聯系。根據槽波勘探、電法勘探、地面鉆孔勘探、掘進揭露及4號煤層頂板低阻異常平面圖，分析4104工作面共有6個異常區需要鉆探疏放。

2.1.2 4104工作面探放水思路

工作面回采前必須對頂板水提前進行預疏放，核準斷層產狀、位置，分析斷層帶的富(導)水性，并在平面圖和剖面圖上確定斷層與工作面的空間幾何關系；巷道通過導水或可能導水斷層前，必須超前探水，對與強含水層連通的導水斷層，必須按規定留設防水煤柱。采用物探與鉆探相結合的方法探查沖刷帶、離層水。采取地面啟封，重新封堵的方法處理封閉不良鉆孔，防治封閉不良鉆孔導通上部含水層，造成水害事故。

2.1.3 4104工作面探放水設備

煤礦用全液壓坑道式鉆機，具體參數見表1。

表1 鉆機參數Table 1 Drilling rig parameters

2.1.4 鉆探工程布設

為準確查清4104工作面水文地質條件，查明4號煤層頂板富水情況，需布設工作面專門探放水孔，共布設鉆孔12個，按照由切眼到停采線方向依次施工，根據現場施工條件布設在回風順槽7個，運輸順槽5個，累計鉆進2 372 m，開孔高度1.8 m。鉆孔布設參數和位置見表2。

表2 4104工作面疏放水工程量Table 2 Quantity of drainage works in 4104 working face

2.1.5 鉆孔施工

鉆孔結構與施工工序：鉆孔結構設計為一次變徑，便于下入孔口管護孔，下入層位為開孔深度20 m。一開φ133 mm鉆進至孔深10 m，下入φ108 mm套管；二開φ73 mm鉆進至終孔。

鉆孔結構見表3，其設計如圖1所示。

圖1 鉆孔結構設計示意Fig.1 Drilling structure design

表3 鉆孔結構參數Table 3 Drilling structure parameters

孔口安全裝置：孔口安全裝置由孔口管、泄水短管、三通、水壓表、泄水閥、孔口水門和鉆桿逆止閥等裝置組成，如圖2所示。

圖2 探查孔孔口安全裝置示意Fig.2 Schematic diagram of probe hole safety device

鉆孔施工技術要求：下入孔口管采用標號不低于42.5R水泥，水灰比0.6～0.8∶1，注漿固結24 h后，進行掃孔，超過原孔深0.1 m后，進行耐壓試驗，試驗壓力不低于3.4 MPa，試驗壓力穩定30 min以上，孔口及圍巖無松動無跑漏水現象，視為合格，否則重新對套管進行注漿。孔口安裝高壓閥門和壓力表，安設排水管路。在鉆孔施工過程中需做好水質、水壓、水量、水溫的觀測。鉆孔出現明顯的涌水現象時需做詳細觀測。水量發生突變和終孔時，均停鉆測穩定水壓(水位)、水量和水溫，采樣并化驗水質。施工過程中需加強孔斜監控，終孔進行孔斜測量，發現有孔斜趨勢及時糾偏。探放水過程中需對異常情況進行觀測，詳細記錄卡鉆、塌孔等現象。鉆探進入破碎帶內可使用泥漿鉆進，完整地層則一律清水鉆進。探查鉆孔施工前，需挖好水溝做好排水措施，確保有效排水能力達到要求。監測有毒有害氣體，發現問題及時采取對策。

2.1.6 鉆孔施工結果

工作面共設計疏放鉆孔12個，實際施工鉆孔12個，鉆孔施工均達到設計要求。鉆孔施工過程中均未發現明顯的出水現象，鉆孔涌水量為1～2 m3/h，表明工作面范圍內直羅組含水層富水性較弱。