巷道仰斜探水鉆孔封孔技術(shù)應(yīng)用

郭旭榮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)裕興煤礦，山西 高平 048400）

煤礦采掘工作面在探放頂板采空區(qū)積水、老空水、構(gòu)造裂隙水等水害隱患時，需施工仰斜鉆孔。傳統(tǒng)仰斜探水鉆孔主要采用水泥砂漿進(jìn)行封孔，受封孔工藝、專業(yè)人員技術(shù)水平以及頂板巖性影響，封孔工藝存在封孔長度不足、封孔工藝落后、封孔后在放水時水壓控制難度大等問題，本文以裕興煤礦15206回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間探放水施工為例，對頂板仰斜鉆孔封孔施工主要存在的問題進(jìn)行合理分析，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)采取有效技術(shù)措施[1-5]。

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)裕興煤礦15206回風(fēng)順槽位于井田二采區(qū)，巷道西部為井田邊界，東部為北翼大巷，北部為15206工作面，南部為15204工作面。15206回風(fēng)順槽設(shè)計長度為1770 m，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，支護(hù)形式為錨網(wǎng)支護(hù)，掘進(jìn)凈寬度為5 m，高3.5 m，斷面面積為17.5 m2。

根據(jù)15212運(yùn)輸順槽附近二采區(qū)北翼大巷、15212回風(fēng)順槽揭露情況和相鄰礦井調(diào)查情況分析，該區(qū)域頂板富水性較弱，可能造成頂板淋水，但水量不大，不影響安全生產(chǎn)。該煤層上部有3#煤采空區(qū)，該煤層與3#煤層相距100 m以上，掘進(jìn)期間上覆3#煤采空區(qū)積水不影響工作面正常掘進(jìn)。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查，3#、15#煤層開采后地面出現(xiàn)裂縫或塌陷坑，因此大氣降水通過裂縫或塌陷坑進(jìn)入15#煤上覆K2含水層，充當(dāng)上覆含水層的補(bǔ)給水源，對巷道影響較大。巷道掘進(jìn)前期頂板涌水量為12～15 m3/h。

2 掘進(jìn)前期防治水措施及問題分析

2.1 掘進(jìn)前期防治水措施

（1）15206回風(fēng)順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截至目前巷道已掘進(jìn)570 m。巷道掘進(jìn)前期主要對巷道迎頭施工鉆孔對上覆采空區(qū)積水進(jìn)行探放，工作面每掘進(jìn)100 m施工一排探水鉆孔，鉆孔布置在工作面迎頭煤壁上，每排4個，鉆孔距頂板1.5 m，鉆孔間距為1.0 m。

（2）鉆孔深度為100 m，鉆孔仰角為10°，鉆孔直徑為75 mm。鉆孔施工結(jié)束后對鉆孔孔口處安裝孔口管，每節(jié)孔口管長度為3.5 m，共計安裝3節(jié)。孔口管安裝后采用水泥砂漿對孔口管進(jìn)行封孔處理，封孔長度為10 m。

2.2 問題分析

15206回風(fēng)順槽在前期探放水施工后，巷道在掘進(jìn)過程中頂板仍然出現(xiàn)局部淋水現(xiàn)象，頂板淋水量達(dá)4.5 m3/h，未消除上覆采空區(qū)水害隱患。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巷道前期探放水施工主要存在以下問題：

（1）封孔長度不足。15206回風(fēng)順槽掘進(jìn)煤層直接頂主要以泥巖為主，平均厚度為7.4 m。該巖體穩(wěn)定性差，巖體裂隙發(fā)育，在進(jìn)行仰斜鉆孔施工時通過窺視儀觀察發(fā)現(xiàn)，鉆孔在過直接頂12 m范圍內(nèi)孔壁破碎嚴(yán)重，而15206運(yùn)輸順槽前期掘進(jìn)期間探放水鉆孔封孔長度為10 m，未完全對破碎區(qū)進(jìn)行封孔，導(dǎo)致在放水施工時鉆孔壁滲水嚴(yán)重，甚至在水壓作用下導(dǎo)致孔口管突出現(xiàn)象。

（2）封孔工藝落后。15206回風(fēng)順槽前期掘進(jìn)過程中施工的探放水鉆孔主要采用水泥砂漿進(jìn)行封孔處理。水泥砂漿具有成本低、取材方便等優(yōu)點(diǎn)，但是水泥砂漿在細(xì)小裂隙帶內(nèi)滲透能力差，滲透速度慢，粘接效果差，采用水泥砂漿封孔后，孔口管與孔壁之間穩(wěn)固性差，當(dāng)水壓較大時，在放水過程中很容易造成孔口管竄動現(xiàn)象，卸壓效果差。通過前期探放水施工發(fā)現(xiàn)，15206回風(fēng)順槽上覆采空區(qū)積水水壓達(dá)1.2 MPa，而前期放水過程中孔口處未安裝任何卸壓裝置，導(dǎo)致放水時在水壓沖擊作用下嚴(yán)重?fù)p壞了放水設(shè)備，無法控制放水水壓，威脅著放水施工安全。

3 封孔技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 鉆孔封孔長度優(yōu)化改進(jìn)

為了合理確定鉆孔封孔長度，保證鉆孔封孔質(zhì)量，決定采用煤屑量法確定封孔長度。首先在工作面煤壁施工兩個校驗(yàn)鉆孔，鉆孔直徑、仰角以及位置與放水鉆孔相同，鉆孔在施工過程中記錄每米鉆孔施工產(chǎn)生的煤屑量，然后根據(jù)每米產(chǎn)生的煤屑量判斷孔壁巖體穩(wěn)定情況。通過現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，15206回風(fēng)順槽校驗(yàn)鉆孔在前8 m范圍內(nèi)，每米鉆孔平均產(chǎn)生的煤屑量為3.4 kg；在8～14 m范圍每米鉆孔產(chǎn)生的煤屑量呈遞減趨勢，平均為2.6 kg；在14～30 m范圍內(nèi)每米鉆孔產(chǎn)生的煤屑量趨于穩(wěn)定，平均煤屑量為1.8 kg。由此可見，在0～8 m范圍內(nèi)鉆孔處于圍巖高應(yīng)力區(qū)，在8～14 m段鉆孔處于應(yīng)力減弱區(qū)，在14 m后鉆孔處于圍巖穩(wěn)定區(qū)，所以確定鉆孔封孔長度為14 m。

3.2 封孔工藝優(yōu)化

（1）15206回風(fēng)順槽掘進(jìn)至500 m處時開始對探水鉆孔封孔工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，鉆孔布置參數(shù)不變，鉆孔施工至14 m后停止鉆進(jìn)，并及時清理鉆孔內(nèi)煤屑，然后更換擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行鉆孔擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔后鉆孔直徑為130 mm。

（2）鉆孔擴(kuò)孔施工到位后，對擴(kuò)孔段安裝孔口管，共計安裝5節(jié)，每節(jié)長度為3.0 m，直徑為108 mm，相鄰兩節(jié)孔口管采用絲扣連接，絲扣連接長度不得低于0.1 m。

（3）孔口管安裝后在封孔器安裝前，對孔底處填裝膨脹水泥，填充長度為0.8m。孔底膨脹水泥填裝后在距孔口、底0.8 m處分別安裝一個PKN型封孔器，使鉆孔中部形成一個環(huán)形封堵空間，并在封堵空間內(nèi)埋入一根直徑為20 mm注漿軟管，注漿軟管另一端與2ZBQ型注漿泵連接，同時在孔口封孔器與孔口之間同樣采用膨脹水泥填充。優(yōu)化后15206回風(fēng)順槽探水鉆孔封孔工藝示意圖如圖1。

圖1 優(yōu)化后15206回風(fēng)順槽探水鉆孔封孔工藝示意圖

（4）所有準(zhǔn)備工序完成后，對孔口管與鉆孔壁之間高壓注入聚氨酯化學(xué)材料，注漿壓力1.5 MPa，注漿時間20 min，凝固時間2 h。注漿完成后對封孔段進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力為3.0 MPa，注水耐壓試驗(yàn)時間不得低于30 min，試驗(yàn)合格后鉆孔方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

3.3 安裝卸壓裝置

為了防止放水過程中水壓對孔口設(shè)備產(chǎn)生沖擊破壞作用，決定在孔口管外露端安裝一套卸壓裝置。

（1）卸壓裝置結(jié)構(gòu)。卸壓裝置主要安裝在孔口管外露端。卸壓裝置主要由電動控制閥、壓力表、法蘭盤、固定卡纜、集中控制器、控制開關(guān)、放水管等組成，如圖2。

圖2 15206回風(fēng)順槽卸壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（2）裝置卸壓原理。在探放水施工過程中當(dāng)放水水壓大于1.2 MPa時，壓力表內(nèi)的壓力傳感器及時將壓力數(shù)據(jù)上傳至集中控制器；控制器接收數(shù)據(jù)信號并及時進(jìn)行處理分析，并對控制開關(guān)下發(fā)“開啟”指令；開關(guān)接收指令后及時對電動控制閥供電，控制閥通電后進(jìn)行卸壓放水。當(dāng)水壓低于0.7 MPa后通過控制器控制作用，電動控制閥斷電，停止卸壓放水，從而實(shí)現(xiàn)放水卸壓的目的。

4 結(jié) 語

截至2020年7月24日，15206回風(fēng)順槽已掘進(jìn)到位，巷道在后期掘進(jìn)過程中通過對探水鉆孔封孔技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，大大提高了后期鉆孔放水效果。通過現(xiàn)場觀察分析發(fā)現(xiàn)，巷道在后期掘進(jìn)過程中共計放水量為4578 m3，基本消除上覆采空區(qū)水害隱患，后期放水過程未出現(xiàn)孔口管竄動、涌水等現(xiàn)象，保證了探放水施工安全。