煤礦探水鉆孔封孔工藝的優(yōu)化與應(yīng)用

董 華

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦，山西 大同 037031）

1 四老溝礦概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦2106巷井下位于主運(yùn)大巷東北部，工作面東部為四老溝礦8102工作面，北部為四老溝礦與同忻礦礦界，西部未開(kāi)拓。

2106巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 400 m，巷道斷面規(guī)格（寬×高）為4.5 m×3.5 m，巷道掘進(jìn)煤層為3號(hào)—5號(hào)煤層，平均厚度為11.3 m，施工巷道沿煤層底板進(jìn)行平行掘進(jìn)，截止目前巷道已掘進(jìn)500 m[1-2]。

2106巷上覆有侏羅系2號(hào)、4號(hào)采空區(qū)，對(duì)應(yīng)2106巷上覆210~650 m，層間距為54 m，預(yù)計(jì)積水量約0.6萬(wàn)m3；在4號(hào)層有四老溝礦8401、8403、8405、8407、8409、8411采空區(qū)，位于2106巷860~1 150 m段，層間距為60 m左右，預(yù)計(jì)積水量約0.37萬(wàn)m3。為了保證巷道安全掘進(jìn)，避免透水事故的發(fā)生[3-4]，2106巷掘進(jìn)前期主要采用鉆探技術(shù)手段進(jìn)行放水施工，巷道迎頭煤壁共計(jì)布置5個(gè)探水鉆孔，鉆孔具體布置參數(shù)如表1所示。

表1 2106巷前期探水鉆孔技術(shù)參數(shù)表

2 2106巷掘進(jìn)前期鉆孔封孔工藝問(wèn)題分析

1）封孔長(zhǎng)度不合理.2106巷掘進(jìn)煤層為3號(hào)—5號(hào)合并煤層，煤層平均厚度為11.3 m，巷道掘進(jìn)高度為3.5 m，留頂煤厚度為7.8 m，而巷道掘進(jìn)前期探水鉆孔布置在工作迎頭距頂板1.5 m處，鉆孔仰角為25°，通過(guò)計(jì)算可知探水鉆孔在頂煤段長(zhǎng)度為22 m，而通過(guò)窺視鉆孔發(fā)現(xiàn)，鉆孔在頂煤13 m范圍內(nèi)鉆孔壁裂隙發(fā)育，局部出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，而原鉆孔封孔長(zhǎng)度為9.0 m，位于頂煤破碎區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致鉆孔封孔效果差，放水時(shí)很容易出現(xiàn)透水事故。

2）封孔工藝落后。2106巷掘進(jìn)前期探水鉆孔主要采用膨脹水泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為6.0 m，膨脹水泥雖然具有凝固速度快、粘接效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是膨脹水泥滲透效果差，鉆孔封孔段煤體高度裂隙發(fā)育，若無(wú)法對(duì)裂隙進(jìn)行填充封堵，無(wú)法起到預(yù)期的封孔效果。

3）安全措施不到位。由于2106巷掘進(jìn)的3號(hào)—5號(hào)合并煤層穩(wěn)定性差，煤體內(nèi)含多層夾矸，煤體單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa，而上覆采空區(qū)積水預(yù)計(jì)水壓在0.8 MPa左右，在放水過(guò)程中高壓水流沖擊作用下很容易導(dǎo)致孔口處煤壁垮落，而前期探放水施工過(guò)程中鉆場(chǎng)處僅僅對(duì)頂板支設(shè)一排單體液壓支柱，安全措施不到位，探放水安全系數(shù)低。

3 探水鉆孔封孔工藝的優(yōu)化

3.1 合理確定鉆孔封孔深度

為了合理確定鉆孔封孔長(zhǎng)度，保證后期探放水施工安全，決定采用煤屑量法確定鉆孔封孔深度，保證鉆孔封孔段延伸至穩(wěn)定煤巖體內(nèi)。

1）鉆孔施工前在鉆場(chǎng)煤壁施工三個(gè)煤屑量校驗(yàn)鉆孔（鉆孔編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)），校驗(yàn)鉆孔深度為22 mm，其他參數(shù)與放水鉆孔相同，每個(gè)校驗(yàn)鉆孔在施工過(guò)程安排專(zhuān)人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄每米產(chǎn)生的煤屑量，并進(jìn)行曲線圖繪制。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄發(fā)現(xiàn)，三個(gè)校驗(yàn)鉆孔在0~6 m范圍施工過(guò)程中平均產(chǎn)生的煤屑量為4.3 kg/m，鉆孔在6~16 m范圍內(nèi)施工過(guò)程中產(chǎn)生的煤屑量為3.5 kg/m，并且呈遞減趨勢(shì)。在16~22 m范圍內(nèi)進(jìn)行鉆孔施工時(shí)產(chǎn)生的煤屑量為2.9 kg/m，并且趨于穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 校驗(yàn)鉆孔單米產(chǎn)生的煤屑量變化曲線圖

3.2 采用囊袋式封孔工藝

為了提高鉆孔封孔質(zhì)量，防止放水過(guò)程中出現(xiàn)透水事故，決定對(duì)原封孔工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用囊袋式“兩堵一注”封孔工藝。

1）首先采用專(zhuān)用鉆機(jī)配套直徑為75 mm合金鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，先施工擴(kuò)孔鉆孔，鉆孔施工長(zhǎng)度為16 m，鉆孔施工完后將鉆孔內(nèi)煤矸石清理干凈，然后更換直徑為150 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔長(zhǎng)度為16 m。

2）擴(kuò)孔到位后對(duì)鉆孔內(nèi)下放直徑為120 mm孔口管，每節(jié)孔口管長(zhǎng)度為3.5 m，孔口管見(jiàn)采用專(zhuān)用防漏連接套進(jìn)行連接，孔口管安裝到位后在孔底0.5 m范圍內(nèi)采用膨脹水泥進(jìn)行固定孔口管，見(jiàn)圖2。

圖2 2106巷囊袋式封孔工藝平面示意圖

3）孔口管采用膨脹水泥固定后在孔底處安裝一個(gè)PKJW型環(huán)形封孔器，同樣在孔口王0.5 m處安裝一個(gè)環(huán)形封孔器，并對(duì)孔口處采用膨脹水泥進(jìn)行固定，從而使孔口管中部形成一個(gè)環(huán)形封堵空間。

4）孔口管固定后對(duì)環(huán)形封堵空間內(nèi)埋入一根直徑為20 mm注漿鋼管，軟管另一端與注漿泵連接，然后進(jìn)行注漿施工，注漿液采用聚氨酯化學(xué)注漿材料[3-4]，注漿壓力為1.5 MPa。

5）注漿3 h后對(duì)封孔段進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力為水壓的3倍，注水耐壓試驗(yàn)期間應(yīng)安排專(zhuān)人觀察孔壁滲水情況以及孔口管竄動(dòng)情況，確定鉆孔封孔合格后方可繼續(xù)鉆進(jìn)[5]。

3.3 實(shí)施安全技術(shù)措施

為了保證后期探放水施工安全，防止鉆場(chǎng)煤壁受水壓影響導(dǎo)致煤壁垮落、頂板破碎頂現(xiàn)象，決定在放水前對(duì)鉆場(chǎng)圍巖采取“安裝柔性纖維網(wǎng)+施工護(hù)幫梯形棚”聯(lián)合措施進(jìn)行控制。

1）鋪設(shè)柔性纖維網(wǎng)：為了防止鉆孔突水時(shí)導(dǎo)致整個(gè)鉆場(chǎng)煤壁出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，決定對(duì)鉆場(chǎng)煤壁鋪設(shè)，柔性纖維網(wǎng)規(guī)格（長(zhǎng)×寬）為4.5 m×3.5m，該網(wǎng)采用聚氨酯纖維編織而成，網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.4 m，寬度為0.3 m，纖維網(wǎng)在橫向最大承載拉力為580 kN/m，縱向最大承載拉力為470 N/m，每片纖維網(wǎng)與頂板采用長(zhǎng)度為4.5 m槽鋼進(jìn)行固定，兩幫采用玻璃鋼錨桿進(jìn)行固定，每排布置4根，玻璃鋼錨桿布置間距為1.0 m。

2）護(hù)幫梯形棚支護(hù)：柔性纖維網(wǎng)鋪設(shè)完成后，在煤壁處施工交錯(cuò)式護(hù)幫梯形棚，護(hù)幫梯形棚主要由縱向梯形棚、橫向梯形棚和錨索組成，梯形棚主要由若干直徑為20 mm圓鋼焊制而成，其中縱向梯形棚長(zhǎng)度3.2 m，寬度為0.5 m，橫向梯形棚長(zhǎng)度為4.2 m，寬度為0.5 m，每架梯形棚主要采用兩根長(zhǎng)度為4.5 m，直徑為17.8 mm錨索進(jìn)行固定，鉆場(chǎng)煤壁共計(jì)施工縱向、橫向梯形棚各3架，且成“井”字形布置。

4 優(yōu)化工藝的應(yīng)用效果

四老溝礦地測(cè)科對(duì)2106巷在后期掘進(jìn)過(guò)程中施工了40個(gè)探水鉆孔，其中有效放水孔28個(gè)，共計(jì)放水量為4 145 m3。礦地測(cè)科通過(guò)對(duì)原探水鉆孔封孔工藝進(jìn)行優(yōu)化，在提出了“兩堵一注”新型封孔工藝以及合理有效的安全技術(shù)措施后，巷道后期探放水施工期間未出現(xiàn)孔口管竄動(dòng)以及煤壁滲水現(xiàn)象，達(dá)到了提高探水鉆孔封孔效果的目的，保證了巷道安全快速掘進(jìn)，取得了顯著的應(yīng)用成效。