煤礦探水鉆孔封孔工藝的優化與應用

董 華

（晉能控股煤業集團四老溝礦，山西 大同 037031）

1 四老溝礦概況

晉能控股煤業集團四老溝礦2106巷井下位于主運大巷東北部，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，西部未開拓。

2106巷設計長度為1 400 m，巷道斷面規格（寬×高）為4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為3號—5號煤層，平均厚度為11.3 m，施工巷道沿煤層底板進行平行掘進，截止目前巷道已掘進500 m[1-2]。

2106巷上覆有侏羅系2號、4號采空區，對應2106巷上覆210~650 m，層間距為54 m，預計積水量約0.6萬m3；在4號層有四老溝礦8401、8403、8405、8407、8409、8411采空區，位于2106巷860~1 150 m段，層間距為60 m左右，預計積水量約0.37萬m3。為了保證巷道安全掘進，避免透水事故的發生[3-4]，2106巷掘進前期主要采用鉆探技術手段進行放水施工，巷道迎頭煤壁共計布置5個探水鉆孔，鉆孔具體布置參數如表1所示。

表1 2106巷前期探水鉆孔技術參數表

2 2106巷掘進前期鉆孔封孔工藝問題分析

1）封孔長度不合理.2106巷掘進煤層為3號—5號合并煤層，煤層平均厚度為11.3 m，巷道掘進高度為3.5 m，留頂煤厚度為7.8 m，而巷道掘進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°，通過計算可知探水鉆孔在頂煤段長度為22 m，而通過窺視鉆孔發現，鉆孔在頂煤13 m范圍內鉆孔壁裂隙發育，局部出現塌孔現象，而原鉆孔封孔長度為9.0 m，位于頂煤破碎區內，導致鉆孔封孔效果差，放水時很容易出現透水事故。

2）封孔工藝落后。2106巷掘進前期探水鉆孔主要采用膨脹水泥進行封孔，封孔長度為6.0 m，膨脹水泥雖然具有凝固速度快、粘接效果好等優點，但是膨脹水泥滲透效果差，鉆孔封孔段煤體高度裂隙發育，若無法對裂隙進行填充封堵，無法起到預期的封孔效果。

3）安全措施不到位。由于2106巷掘進的3號—5號合并煤層穩定性差，煤體內含多層夾矸，煤體單軸抗壓強度不足20 MPa，而上覆采空區積水預計水壓在0.8 MPa左右，在放水過程中高壓水流沖擊作用下很容易導致孔口處煤壁垮落，而前期探放水施工過程中鉆場處僅僅對頂板支設一排單體液壓支柱，安全措施不到位，探放水安全系數低。

3 探水鉆孔封孔工藝的優化

3.1 合理確定鉆孔封孔深度

為了合理確定鉆孔封孔長度，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定煤巖體內。

1）鉆孔施工前在鉆場煤壁施工三個煤屑量校驗鉆孔（鉆孔編號為1號、2號、3號），校驗鉆孔深度為22 mm，其他參數與放水鉆孔相同，每個校驗鉆孔在施工過程安排專人進行現場記錄每米產生的煤屑量，并進行曲線圖繪制。

2）通過現場記錄發現，三個校驗鉆孔在0~6 m范圍施工過程中平均產生的煤屑量為4.3 kg/m，鉆孔在6~16 m范圍內施工過程中產生的煤屑量為3.5 kg/m，并且呈遞減趨勢。在16~22 m范圍內進行鉆孔施工時產生的煤屑量為2.9 kg/m，并且趨于穩定，如圖1所示。

圖1 校驗鉆孔單米產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量，防止放水過程中出現透水事故，決定對原封孔工藝進行優化，采用囊袋式“兩堵一注”封孔工藝。

1）首先采用專用鉆機配套直徑為75 mm合金鉆頭進行鉆孔施工，先施工擴孔鉆孔，鉆孔施工長度為16 m，鉆孔施工完后將鉆孔內煤矸石清理干凈，然后更換直徑為150 mm擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔長度為16 m。

2）擴孔到位后對鉆孔內下放直徑為120 mm孔口管，每節孔口管長度為3.5 m，孔口管見采用專用防漏連接套進行連接，孔口管安裝到位后在孔底0.5 m范圍內采用膨脹水泥進行固定孔口管，見圖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PKJW型環形封孔器，同樣在孔口王0.5 m處安裝一個環形封孔器，并對孔口處采用膨脹水泥進行固定，從而使孔口管中部形成一個環形封堵空間。

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

5）注漿3 h后對封孔段進行注水耐壓試驗，注水壓力為水壓的3倍，注水耐壓試驗期間應安排專人觀察孔壁滲水情況以及孔口管竄動情況，確定鉆孔封孔合格后方可繼續鉆進[5]。

3.3 實施安全技術措施

為了保證后期探放水施工安全，防止鉆場煤壁受水壓影響導致煤壁垮落、頂板破碎頂現象，決定在放水前對鉆場圍巖采取“安裝柔性纖維網+施工護幫梯形棚”聯合措施進行控制。

1）鋪設柔性纖維網：為了防止鉆孔突水時導致整個鉆場煤壁出現垮落現象，決定對鉆場煤壁鋪設，柔性纖維網規格（長×寬）為4.5 m×3.5m，該網采用聚氨酯纖維編織而成，網格長度為0.4 m，寬度為0.3 m，纖維網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，每片纖維網與頂板采用長度為4.5 m槽鋼進行固定，兩幫采用玻璃鋼錨桿進行固定，每排布置4根，玻璃鋼錨桿布置間距為1.0 m。

2）護幫梯形棚支護：柔性纖維網鋪設完成后，在煤壁處施工交錯式護幫梯形棚，護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，其中縱向梯形棚長度3.2 m，寬度為0.5 m，橫向梯形棚長度為4.2 m，寬度為0.5 m，每架梯形棚主要采用兩根長度為4.5 m，直徑為17.8 mm錨索進行固定，鉆場煤壁共計施工縱向、橫向梯形棚各3架，且成“井”字形布置。

4 優化工藝的應用效果

四老溝礦地測科對2106巷在后期掘進過程中施工了40個探水鉆孔，其中有效放水孔28個，共計放水量為4 145 m3。礦地測科通過對原探水鉆孔封孔工藝進行優化，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措施后，巷道后期探放水施工期間未出現孔口管竄動以及煤壁滲水現象，達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，取得了顯著的應用成效。