篩管在探放落山采空積水中的應用

張玉恒

（西山煤電集團有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

在煤礦探放水過程中，往往存在一種情況，就是探放落山采空區積水，所謂落山采空區就是采用自然全垮落法采煤后不再進行維護所形成的空腔，然而這個空腔內并不是空無一物的，而是其間充滿了上覆巖層垮落下來的巖塊，巖塊大小不一，形狀復雜，沒有規律，如果用V 表示回采前的煤體空間，則回采后形成的空腔的空隙體積與V 的比值為0.2～0.3，剩余的（0.7～0.8）V 的空間則為充滿采空區巖石的體積（如圖1）。

圖1 垮塌后的落山采空區

在探放水過程中，當鉆孔打通后，鉆頭進入采空區時，導水通道形成，采空區積水會通過鉆孔流出來，然而采空區落山石塊對鉆頭及鉆桿有應力作用（擠壓），由于鉆孔打通時破壞了采空區原有的應力平衡，在退鉆過程中，會重新形成新的應力平衡，這是一個動態緩慢過程，采空區石塊會向鉆孔方向塌落，會造成堵鉆孔現象，整個過程類似單向閥門原理，進鉆時，鉆頭擠開石塊，鉆孔導通；退鉆時，落山石塊反向壓回來，鉆孔堵塞。設想在鉆孔打通后，在鉆頭的帶動下，在落山采空區安裝一根帶孔的鋼管（俗稱篩管，就是在鋼管壁上留有導水小孔，如圖2所示），依靠落山石塊擠壓作用，把篩管緊緊“卡死”，可防止篩管從鉆孔內掉出來，同時還可保證鉆孔導水通道的形成[1]。

圖2 工程常用的篩管

1 工作原理

在探放水過程中，先施工大孔徑鉆孔10 m，然后安裝孔口套管，待孔口套管、水門、水壓表等設備安裝完畢后，進行耐壓試驗達到要求后，開始用大鉆頭正常鉆進，直到打通采空區后，退鉆；然后用小鉆頭鉆進，在小鉆頭后方攜帶篩管，篩管外徑小于鉆孔直徑，篩管端頭內徑略大于小鉆頭直徑，保證小鉆頭可自由通過篩管，在小鉆頭鉆進進入落山采空區的同時，篩管也隨小鉆頭進入落山采空區，待采空區巖塊通過擠壓作用“卡死”篩管后，然后進行退鉆，篩管便留在了采空區，這樣能保證出水通道不會被堵塞，積水通過篩管管壁上的小孔進入鉆孔，然后源源不斷流出來。

2 地質及施工情況

以西銘48703 工作面探放上組煤3 號煤43102、43105 采空積水為例進行說明。

2.1 地質情況

探放水施工區域8 號煤層節理發育，煤層上部夾石為厚1.30～2.90 m，平均1.88 m 的頁巖。8 號煤上分層厚度0.50～0.75 m，平均0.63 m；下分層煤層厚度3.10～3.90 m，平均3.38 m。

偽頂為頁巖，直接頂為石灰巖（廟溝灰巖），老頂為石灰巖（毛兒溝灰巖）。底板為砂質頁巖，局部地段或相變為細粒砂巖。鉆孔穿過的煤巖層情況見圖3。

圖3 單孔設計剖面示意圖（單位：m）

工作面中部地表有馬家灘溝由東向西穿過、西南部地表有婁煩灘溝由南東向北西穿過，兩溝均為季節性溝谷，雨季短暫有水，溝底與8 號煤層間距分別為222 m、249 m。溝谷兩側露出二疊系上統上石盒子組（P2S）部分地層。蓋山厚度222～400 m，平均315 m。

該工作面上覆2 號、3 號煤層已回采，北部2 號煤層局部為小窯所采，回采后在西十一43105、43102 采空區低洼處形成積水（JS130），積水量約71 337 m3,積水面積118 896 m2，積水標高1 082～1 094 m。8 號煤與2 號煤層間距88 m 左右，與3 號煤層間距63 m 左右。

2.2 探放水鉆孔施工順序

探放水作業需首先安裝孔口安全套管，第一孔徑以Φ133 mm 開孔鉆進11 m，然后將管徑為Φ100 mm 長10 m（根據《煤礦防治水規定》要求，探放水各放水孔最大水頭值均小于1.0 MPa，故孔口管長度取用10 m）的孔口管用水泥漿固定在孔內，在距孔口管0.2～0.5 m 處兩側各打一根錨桿，用錨鏈將孔口管（帶閘閥）與錨桿固定。保證固管時間為24 h，并以2 倍預計水壓至少進行0.5 h 的耐壓試驗，水壓為最大水頭值的2.0～2.5 倍，當套管不漏水時，方可進行下一步工作[2]。

待套管安裝完成后，用95 mm 大鉆頭鉆進，直至打通采空區，退鉆；然后在65 mm 的小鉆頭后方攜帶外徑85 mm、端頭內徑69 mm 的篩管向采空區鉆進，篩管在鉆頭的帶動下一起進入采空區，待篩管擠壓緊固后退鉆，篩管留在采空區（如圖4）。

圖4 過程示意圖

3 主要技術指標

1）篩管外徑85 mm，內徑分兩部分，篩管后部內徑77 mm，篩管壁厚4 mm，端頭需制作成錐形，錐形部位內徑69 mm，略大于小鉆頭直徑，錐形部位卡槽4 mm（如圖5）。

圖5 篩管的剖面及參數

2）篩管管壁上小孔的直徑不能太大或太小，宜適中，防止碎石堵塞小孔，出水不暢。（查閱相關資料取直徑1～2 cm 較合適，有待進一步積累經驗改進）

3）篩管進入采空區，管壁承受巨大的擠壓應力，因此制作篩管需用耐壓強度高的鋼材，同時管壁要有一定厚度，能抵抗擠壓變形。

4）施工探放水鉆孔的工藝必須保證鉆孔的平直度，使得篩管能順利通過鉆孔。

4 主要關鍵點

1）首次將篩管應用到探放采空區積水工程上，施工工藝及施工過程有待進一步完善。

2）可防止探放水鉆孔在放水的過程中堵塞，避免重新進鉆機疏通鉆孔，尤其是百米以上的長距離鉆孔，疏通鉆孔相當于重新施工鉆孔，工程量大，可有效避免返工費時現象，節約成本。

3）采用此裝置，可保證探放水按預計工期完成，保障礦井的正常生產銜接。

5 結語

隨著煤礦的不斷開采，上組煤已經開采完畢，現逐漸向深部延深，開采水平進一步降低，上組煤開采結束后，造成了大量的采空區，雨季汛期降雨通過因開采造成的地面塌陷裂縫滲入到采空區，造成了采空區積水面積廣、儲水量大、探放難度大的現象，通過在落山采空區應用篩管的措施，可有效保證采空區積水一次性探放干凈、完畢，可避免重新疏通鉆孔和施工驗證鉆孔，使得探放水效率進一步提高，集團公司礦井大部開采下層8 號煤，普遍存在探放上部采空積水的情況，因此有著廣闊的推廣應用前景。