聯(lián)合封孔技術(shù)在煤礦井下探放水中的應用

孔德璽

（華亭煤業(yè)集團赤城煤礦有限責任公司，甘肅 平?jīng)?744000）

探放水措施是井下采掘工作面超前治理水害隱患的重要技術(shù)措施之一，按照探放水鉆孔施工設計，采用專用探放水施工鉆機向采掘工作面前方施工探放水鉆孔，利用鉆孔將積水區(qū)域的積水疏放出來[1-2]。在利用鉆孔進行疏放水前，為保證安全，需要對已施工好的鉆孔進行注漿封堵。但目前由于受井下現(xiàn)場條件、封孔材料、封孔工藝、技術(shù)等因素影響，鉆孔封孔還存在許多問題，如封孔長度不合理，封孔材料、工藝、技術(shù)落后等[3-4]，造成封孔效果差，導致在利用鉆孔進行放水時存在較大安全隱患。以赤城煤礦1501 工作面進風巷為工程背景，對傳統(tǒng)探放水鉆孔封孔施工工藝進行優(yōu)化，提出聯(lián)合封孔施工工藝技術(shù)，并在現(xiàn)場進行應用，對提高探放水鉆孔封孔技術(shù)具有一定的意義。

1 工程概況

1501 工作面進風巷位于赤城煤礦北翼一采區(qū)，巷道設計長度840 m，設計巷道斷面尺寸為寬×高=5.0 m×3.5 m。巷道掘進時沿5-2#煤層頂板施工，煤層直接頂和直接底均為砂質(zhì)泥巖、泥巖，老頂為中粒砂巖，老底為細砂巖、粉砂巖。工作面煤層頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖如圖1 所示。根據(jù)鉆孔成果和實揭地質(zhì)資料以及5-2#煤層底板等高線形態(tài)分析，預計該掘進工作面地質(zhì)條件較復雜，斷層和褶曲構(gòu)造較為發(fā)育，預計其附近煤層賦存不穩(wěn)定，煤層底板起伏變化大，同時在斷層附近和向斜軸部區(qū)域會形成一定范圍的積水區(qū)，對正常掘進產(chǎn)生較大影響。巷道掘進期間預計工作面正常涌水量為40 m3/h，最大涌水量為80 m3/h。目前巷道已掘進260 m。

圖1 1501 工作面煤層頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖

為了保證巷道在掘進期間施工安全，在1501進風巷掘進過程中，采取在巷道內(nèi)超前施工探放水鉆孔，對頂板水進行探查和疏放。巷道每向前掘進50 m，在巷道迎頭前方施工6 個探水鉆孔，鉆孔施工深度為70 m，每個鉆孔開孔孔徑為75 mm，鉆進10 m 后將Φ75 mm 鉆頭更換為Φ150 mm 的鉆頭進行擴孔，擴孔后下入Φ150 mm 套管10 m，套管周圍采用水泥砂漿進行封固。但由于水泥砂漿與鉆孔周圍煤巖體及套管管壁粘結(jié)效果差，且其凝固時間較長，封孔效果差，造成巷道在掘進過程中出現(xiàn)放水孔口套管松動、鉆孔出現(xiàn)向外滲水甚至涌水等現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計，鉆孔封孔合格率只有26%，給巷道掘進和探放水施工帶來嚴重威脅。

2 聯(lián)合封孔技術(shù)方案

由于1501 進風巷5-2#煤層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，其基本形態(tài)以粉狀為主，少量粒狀，鱗片狀，煤體孔隙性較大。在進行超前探放水時，在探水鉆孔周圍容易發(fā)生煤體滲水、漏水現(xiàn)象。針對上述問題，為提高封孔質(zhì)量，結(jié)合1501 工作面煤層地質(zhì)條件及現(xiàn)場施工情況，提出聯(lián)合封孔加固技術(shù)方案，即對探放水鉆孔周圍不穩(wěn)定易破碎的煤體使用聚氨酯材料進行注漿固化，同時交替使用聚氨酯與膨脹水泥對鉆孔封孔管周圍留存的縫隙進行封堵加固。

2.1 材料配比方案

（1）聚氨酯材料。它主要是由澆注型聚醚多元醇與PAPI 擴鏈劑按照1:1 比例進行混合后形成的漿液。該材料主要優(yōu)點是發(fā)泡倍數(shù)大、凝固速度快、彈性強度高且滲透性高[5-6]。

（2）膨脹水泥。它的主要材料有水泥膨脹劑、石膏、水及水泥熟料，其配比方式為1:1:6:6，將上述材料按照比例混合攪拌均勻后形成水硬性膠凝材料。水泥膨脹劑主要由鋁粉和生石灰按照1:8 的比例配比混合而成。

2.2 封孔施工方案

（1）根據(jù)巷道煤層地質(zhì)條件和現(xiàn)場實際情況，設計探水鉆孔布置的位置及施工參數(shù)。根據(jù)鉆孔設計參數(shù)穩(wěn)固鉆機。為確保施工安全，在穩(wěn)鉆前需先對鉆場及其前后10 m 范圍內(nèi)的巷道頂幫進行加固。

（2）將鉆機安裝穩(wěn)固好后，按照設計先在煤壁上施工導向鉆孔，鉆孔直徑為75 mm，深度為10 m，然后將Φ75 mm 鉆頭更換為Φ150 mm 的鉆頭進行擴孔。鉆孔施工結(jié)束后及時將鉆孔內(nèi)的煤碴清理干凈。

（3）導向孔擴孔施工完成后在鉆孔孔口位置安裝套管，其直徑為150 mm，長度為10 m，材質(zhì)為無縫鋼管。安裝完成后在孔口套管兩邊各打設1根Φ17.8 mm×6200 mm的錨索用于固定孔口套管。

（4）在探水鉆孔四周距其0.5 m 位置施工4 個直徑為42 mm、深度為10 m 的注漿鉆孔用于注漿加固煤體使用，具體布置如圖2 所示。當鉆孔施工好后，使用專用注漿泵及配套的注漿管等裝備，開始向注漿鉆孔內(nèi)注入配比好的聚氨酯漿液。注漿過程中時刻觀察煤壁注漿情況，當發(fā)現(xiàn)煤壁開始滲出漿液時即可停止注漿作業(yè)，并立即使用封孔材料對注漿鉆孔進行封堵。

圖2 1501 進風巷探水鉆孔聯(lián)合封孔施工

（5）將Φ16 mm 的注漿小管埋入到孔口套管與導向孔中間的空隙內(nèi)，并使用添加有速干劑的水泥對縫隙進行填塞封堵，然后使用專用注漿泵和注漿管將配比混合后的膨脹水泥通過注漿小管注入到鉆孔內(nèi)。

（6）當孔口套管注漿封堵時間達到2 h 以上后，為驗證鉆孔封孔效果，使用Φ75 mm 的鉆頭在原鉆孔內(nèi)再向里施工0.6 m 深，向鉆孔內(nèi)注入帶有壓力的水，對鉆孔進行耐壓試驗，注入的水壓應大于煤層積水區(qū)壓力的1.4 倍。在1501 進風巷進行鉆孔耐壓試驗時注入的水壓為1.2 MPa。在進行注水耐壓試驗過程中，當發(fā)現(xiàn)孔口套管不出現(xiàn)上下晃動、煤壁未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象且持續(xù)穩(wěn)定時長達到1.5 h 以上即可認為注漿封孔質(zhì)量合格。

3 現(xiàn)場應用效果分析

3.1 聯(lián)合封孔技術(shù)方案優(yōu)點

（1）施工工藝簡單易操作，人員勞動強度小，且采用聚氨酯注漿封固鉆孔時，因其具有滲透能力強、凝固時間短（一般在30 min 左右）、粘合能力強等優(yōu)點，使鉆孔周圍破碎的煤體固結(jié)形成一個整體，提高了煤體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承壓能力，從而大大增加在進行探放水期間鉆孔周圍煤體阻擋煤體滲水、流水的能力，提高了探放水效果和安全性。

（2）封孔施工采用的膨脹水泥材料具有材料成本低、凝固時間短、膨脹效果好、承壓強度大等特點。根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，膨脹水泥膨脹率能夠達到50%以上，與傳統(tǒng)封孔方式施工使用的水泥砂漿、封孔器等材料相比，膨脹水泥具有更強的膠結(jié)穩(wěn)固性和密封性，且其與鉆孔周圍煤體的接觸性更好。

3.2 應用效果分析

1501 進風巷在對剩余580 m 掘進期間，共設計施工35 個探放水鉆孔，鉆孔封孔時均采用聯(lián)合封孔施工工藝技術(shù)。通過現(xiàn)場應用，在采用聯(lián)合封孔工藝進行封孔后，鉆孔封孔合格率達到95%，探放水過程中，未發(fā)生因鉆孔封孔質(zhì)量不合格而造成孔口套管晃動、鉆孔周圍煤壁出現(xiàn)滲水等現(xiàn)象，掘進期間未發(fā)生過透水事故，探放水效果達到設計要求。

4 結(jié)語

通過對探放水鉆孔傳統(tǒng)封孔工藝存在的問題進行分析，結(jié)合赤城煤礦煤層地質(zhì)條件和現(xiàn)場實際情況，提出聯(lián)合封孔加固技術(shù)方案，即對探放水鉆孔周圍不穩(wěn)定易破碎的煤體使用聚氨酯材料進行注漿固化，同時交替使用聚氨酯與膨脹水泥對鉆孔封孔管周圍留存的縫隙進行封堵加固。

通過在1501 進風巷進行現(xiàn)場應用表明，聯(lián)合封孔技術(shù)不僅施工操作簡單、勞動強度低，而且大大提高鉆孔封孔質(zhì)量，使鉆孔封孔合格率從26%提高到95%，提高了探放水施工作業(yè)效率，為巷道掘進施工提供安全保障，為類似條件下礦井探放水封孔施工作業(yè)提供技術(shù)參考，具有較大推廣應用價值。