定向鉆探技術(shù)疏放上覆煤層采空區(qū)積水技術(shù)研究

郭星星,孟曉峰

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦鉆探隊,山西 晉城 048000)

隨著井田向深部延伸,下組煤各項系統(tǒng)已初步形成。根據(jù)《礦井底板擾動規(guī)律研究報告》,成莊礦3#煤層開采對底板的破壞深度平均達(dá)到19 m,構(gòu)造區(qū)域深度可達(dá)32 m,而成莊礦15#煤層開采上三帶[1]導(dǎo)水裂隙高度可達(dá)55 m,3#煤和15#煤之間的平均間距約為80 m～90 m。因此下組煤層回采過程中,在構(gòu)造區(qū)域很有可能將3#煤層采空區(qū)積水導(dǎo)通,形成涌水通道,進(jìn)一步引發(fā)水害事故,為此,必須在下組煤開采前對上方的3#煤采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。

1 XV1307工作面基本情況

1.1 XV1307工作面水文地質(zhì)情況

XV1307工作面走向長1 514 m,傾斜長200 m,區(qū)域直接頂和老頂為8.92 m厚的石灰?guī)r,深灰色,致密堅硬。工作面距上方3#煤平均間距90 m左右,中間夾有多層含水層,K2、K5富水性較弱,K5灰?guī)r位于3#煤以下25 m左右,K2灰?guī)r是15#煤的直接頂板,工作面回采過程中,頂板塌陷可能會形成導(dǎo)水通道,造成K2、K5灰?guī)r水下滲至工作面,造成工作面涌水量增大。

1.2 XV1307工作面上方采空積水情況

1)3303面于2001年回采結(jié)束,工作面由切眼至停采線整體呈現(xiàn)下坡趨勢,但工作面切眼以南280 m位置發(fā)育一背斜,導(dǎo)致工作面切眼位置較低,積水位置位于XV1307切眼正上方,面積約為1.3萬m2,積水量2.85萬m3,這部分積水對XV1307工作面初期回采的威脅較大;3303停采線位置存一部分積水,面積約3.7萬m2,積水量約為4.4萬m3,對XV1307面后半段回采影響較大。3303面3#煤層底板標(biāo)高為674 m～730 m,15#煤層底板標(biāo)高為590 m～645 m,因此預(yù)計水壓在0.29 Mpa～1.43 Mpa之間。

2)3304面于2004年回采結(jié)束,工作面與3303面相似由切眼至停采線方向呈整體下坡趨勢,積水區(qū)位于3304切眼位置,位于XV1307面切眼上方偏北,面積約4.67萬m2,積水量約8.8萬m3,1307面回采前需對其進(jìn)行疏放。3304面3#煤層底板標(biāo)高為670 m～720 m,15#煤層底板標(biāo)高為580 m～645 m,因此預(yù)計水壓在0.25 Mpa～1.40 Mpa之間。

3)3303、3304面巷道掘進(jìn)過程中曾經(jīng)揭露小煤窯巷道,位于13072巷930 m～1 115 m區(qū)間上方,預(yù)計回采后,小煤窯巷道積水會成為采空區(qū)的充水通道,將上覆砂巖裂隙水導(dǎo)至采空區(qū),初步預(yù)計老窯積水量5 000 m3。

圖1 XV1307工作面上覆采空積水區(qū)及放水鉆孔布置示意圖

2 放水鉆孔設(shè)計及施工

2.1 XV1307工作面放水鉆孔設(shè)計

為確保XV1307工作面安全回采,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》《煤礦防治水細(xì)則》等規(guī)程規(guī)定的要求,結(jié)合實際生產(chǎn)需要,進(jìn)行3#煤層采空區(qū)積水探放水設(shè)計。本次共設(shè)計3組鉆孔,每組鉆孔3個方向。鉆孔詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 各鉆孔參數(shù)表

2.2 探放水鉆孔的開孔、終孔位置

設(shè)計探放水鉆孔選用鉆頭96 mm規(guī)格,為保證鉆機(jī)機(jī)身的穩(wěn)固和方便放水鉆孔的施工,并且保證放水孔有較好的放水效果,減少堵孔塞孔現(xiàn)象,終孔層位應(yīng)避開巷道,且終孔點設(shè)計在采空區(qū)原頂板向下1.5 m～2 m處。

2.3 鉆探設(shè)備及孔口裝置安設(shè)

鉆探設(shè)備:鉆機(jī):ZDY-4 000LD;鉆桿:Φ73 mm通纜鉆桿; 鉆頭:Φ96 mm。

孔口裝置安設(shè):根據(jù)水頭高度、水壓和《煤礦防治水細(xì)則》確定孔口管埋設(shè)長度,安裝孔口管直徑150 mm×10 m,采用濕式排渣鉆進(jìn)10.5 m后,退出鉆桿,下置10 mΦ150 mm套管,并進(jìn)行固定,見圖2。

可以由信息中心牽頭組織，通過舉辦講座、印發(fā)手冊及網(wǎng)絡(luò)宣傳等手段，對全校的師生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全的教育，弘揚正能量，增強(qiáng)了師生的網(wǎng)絡(luò)安全意識，有助于他們養(yǎng)成良好的上網(wǎng)習(xí)慣，自覺主動地營造好的環(huán)境，可以在上網(wǎng)過程中，人為消除一些不必要的隱患。

圖2 定向鉆機(jī)孔口閥門和套管

2.4 封孔工藝及耐壓試驗

封孔材料:石膏、普硅525#水泥、速凝劑。

封孔工藝:將普硅525#水泥摻入3%的速凝劑,摻勻稱后,加入少量的水拌勻成水泥漿,用注漿泵將水泥漿注入鉆孔內(nèi),進(jìn)行固管。待水泥漿凝固24 h后進(jìn)行掃孔,掃孔深度應(yīng)超過孔口管長度0.5 m,見圖3和圖4。

圖3 注漿設(shè)備連接示意圖

圖4 鉆孔注漿示意圖

耐壓試驗:待注漿固結(jié)套管48 h后,對封孔進(jìn)行耐壓試驗(壓力值為水頭的1.5倍),試驗合格后,在鉆孔施工時, 孔口管需加設(shè)6寸閘閥(包含水壓表)、流量表、U型防瓦斯裝置,采用法蘭相互連接,以確保鉆孔施工放水安全。最后用Φ96 mm鉆頭施工至終孔,確保在鉆透老空區(qū)后要根據(jù)排水能力大小,調(diào)節(jié)閘閥,控制放水[3]。

2.5 接近、鉆透老空區(qū)及放水措施

1)鉆孔達(dá)到設(shè)計終孔層位后,地測防治水人員應(yīng)對鉆孔深度進(jìn)行丈量,并根據(jù)孔內(nèi)煤巖性預(yù)測鉆孔偏斜情況。

2)快要揭露采空區(qū)積水之前50 m,要檢查現(xiàn)場排水系統(tǒng)。

3)快要揭露采空區(qū)積水之前20 m,檢查孔口管的牢固情況。

4)鉆進(jìn)過程中,一旦發(fā)現(xiàn)“見軟”“見空”“見水”和“變層”,要立即停鉆,丈量殘尺并記錄其深度,檢查有無有害氣體溢出[4]。

5)若鉆透老空時水量較小或無水時,應(yīng)反復(fù)下鉆以防鉆孔被堵,造成水流干假象,引發(fā)事故,如果鉆孔出水量較大時,不能拔出鉆桿,應(yīng)及時關(guān)閉孔口閥,控制放水。

6)鉆透采空區(qū)積水后不要立即拔出鉆桿,待穩(wěn)定后,方可拔出鉆桿,調(diào)節(jié)閥門,控制放水量[5]。

7)發(fā)現(xiàn)積水位下降緩慢或久放不降等異常,必須查明原因。對另有水源補(bǔ)給者,必須先封堵水源,然后再進(jìn)行放水。對可能存在的“孤立區(qū)”或“滯流區(qū)”,應(yīng)通過分析補(bǔ)打鉆孔處理。

3 放水鉆孔施工效果

3.1 鉆孔施工計劃

根據(jù)XV1307工作面水文、地質(zhì)條件,預(yù)計垂距0～70 m區(qū)間巖體較好,適合定向設(shè)備施工;垂距70 m～90 m區(qū)間,因3#煤層開采對底板的破壞嚴(yán)重,若繼續(xù)使用定向鉆機(jī)施工,很可能會發(fā)生卡鉆的情況,會造成鉆探成本大大增加。因此,在實際施工過程中,在垂向上前70 m使用定向鉆機(jī)的定向設(shè)備進(jìn)行施工,在垂向上70 m以上的區(qū)段改為定向鉆機(jī)配合普鉆鉆桿旋轉(zhuǎn)施工,見圖5。

圖5 13072巷1#放水鉆孔剖面圖

3.2 鉆孔施工放水情況及放水效果

3.2.1鉆孔施工放水情況

放水效果:XV1307面上覆煤層采空區(qū)積水疏放工作施工135 d。目前對上覆3#煤采空積水的疏放,鉆場內(nèi)各鉆孔涌水量合計達(dá)到12 m3/h,累計放水383 000 m3。通過對上方3303采空區(qū)密閉墻涌水量的跟蹤觀測,發(fā)現(xiàn)密閉墻涌水量已明顯減小,初步實現(xiàn)了放水目的，具體如表2所示。

相比傳統(tǒng)鉆探放水,定向鉆探技術(shù)疏放水工作具有的優(yōu)勢相當(dāng)明顯:

1)可精確定位,有效達(dá)到預(yù)定目標(biāo),減少無效鉆孔施工及鉆孔偏移量。

2)可以實現(xiàn)長距離放水鉆孔施工,相比傳統(tǒng)鉆機(jī)具有優(yōu)勢。

3)可以增加對異常涌水的反應(yīng)時間,增加施工人員的安全性。

4)定向鉆探設(shè)備的應(yīng)用,大大提高了鉆孔施工效率和放水效率。

5)在與采空區(qū)探透后,在積水區(qū)域老空水會通過鉆孔進(jìn)行疏放;無水區(qū)域,在探透后,采空區(qū)內(nèi)瓦斯和CO等氣體進(jìn)行立體抽放,及時解決采空區(qū)瓦斯問題。

表2 1307工作面上覆煤層采空區(qū)技術(shù)放水鉆孔參數(shù)表

Table 2 Water drainage drilling parameters in overlying coal seam goaf on 1307 working face

孔號位置孔徑/mm施工變化傾角/(゜)分支數(shù)孔深/m出水位置/m施工時間/d有無出水 113072巷968～3312312251250 m3/h→10 m3/h 213072巷9614～2812382301315 m3/h→2 m3/h 313071巷反掘968～50423723426少量 413071巷反掘9625～54116516210少量 513071巷反掘9625～47117717510少量 613071巷反掘9626～38116816513少量 713072巷9621～34119019410少量 813072巷9615～2212282237少量 913072巷9620～371171163715 m3/h→2 m3/h 1013072巷9614～2622362301715 m3/h→2 m3/h 1113072巷9617～27120820510少量

4 結(jié)論

XV1307工作面上覆煤層采空區(qū)積水放水鉆孔的成功施工,標(biāo)志著利用定向鉆探技術(shù)疏放上層采空區(qū)積水是可行的。定向鉆探技術(shù)在疏放上覆煤層采空區(qū)積水疏放技術(shù),有效疏放工作面上方的采空區(qū)積水,為下組煤采面的安全回采提供安全保障,并幫助礦井初步建立了下組煤開采疏放上層采空區(qū)積水的模型,豐富了防治水人員的經(jīng)驗,為礦井建立可靠的疏放上層采空區(qū)積水方案奠定了基礎(chǔ)。