定向鉆機遠距離集中探放近間距老空水的應用

張富強

(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

防治水是治理煤礦水害隱患的一項重要工作，其中探放水是水害防治工作的一項重要措施，探放水工作開展的效果直接關系到礦井生產的安全和銜接計劃的實施。西銘礦9號煤層與8號煤層平均間距2.4 m，屬近間距煤層，在9號煤層掘進期間，需要對上覆8號煤層采空區積水進行探放。由于9號煤層與上部采空區間距較小，采取在掘進工作面進行探放水的方法容易出現探放水鉆孔距離短、探放水循環次數多、工作面淋頭水大、施工鉆孔困難等情況，最終影響掘進施工，造成銜接緊張，增加了施工成本，存在安全隱患。因此以往采用的探放水手段已經不能滿足煤礦目前安全高效開采的需要，亟需要采用安全、高效、便捷、低耗的探放水手段[1]。21世紀初，我國部分礦井最初引進澳大利亞隨鉆測量定向鉆進裝備，并將其應用到瓦斯抽采鉆孔的施工當中。由于定向鉆機具有鉆孔軌跡控制精確、施工速度快、自動化程度高等一系列優點，進而又被逐漸應用于煤礦防治水工作當中。2010年以來，我國各大煤機制造研究單位已經能夠自主設計制造定向鉆機及其相應裝備，紅柳煤礦、韓咀煤礦、黃白茨煤礦等國內一大批煤炭企業已將定向鉆機應用于礦井防治水工作當中[2]。

在西銘礦8號煤層采空區積水周邊巷道內，本文利用定向鉆機遠距離向采空區最低點施工探放水鉆孔進行探放水，共疏排水約75 000 m3，巷道內鉆孔孔口再無淋水現象，取得了良好的應用效果，解決了近間距煤層探放水的難題，豐富了探放水的方法和手段。

1 49403掘進工作面概況

1.1 工作面井下位置及四鄰關系

49403工作面井下位于南四采區右翼，東鄰北五左翼軌道巷及南四軌道巷，南鄰49405回采工作面，北鄰304大尾巷，西鄰南四大尾巷。上覆為8號煤層48403工作面采空區，8號與9號煤層間距平均2.40 m。工作面設計走向長度1 885 m，傾向長度184 m/117 m。工作面軌道巷、膠帶巷設計為梯形斷面，工字鋼架棚支護；切眼為矩形巷道，圓木單體支柱支護。

1.2 地質情況

探放水孔施工區域9號煤層厚度為2.3～3.2 m，質軟。所穿9號煤層偽頂為頁巖，黑色，層理、節理發育，破碎易垮落；直接頂為細粒砂巖，質硬，灰白色-深灰色，水平層理，含黃鐵礦，頂部有薄層頁巖或砂質頁巖。局部地段底部相變為砂質頁巖。

據上覆8號煤回采資料推測，工作面軌道巷掘進期間將遇3條落差0.2～0.3 m正斷層，掘進期間可能揭露X9857陷落柱；膠帶巷掘進期間將遇f9520、f9527(逆斷層)、f9528、F4、F5、F6等6條斷層，落差0.2～1.2 m，掘進期間將揭露X9582、X9588陷落柱，對掘進施工有一定影響。

1.3 采空區積水情況

49403工作面周邊老空區積水情況見表1。

表1 49403工作面周邊老空區積水情況

采空區積水主要來自地表大氣降水和太原組含水層的水，通過采動裂隙進入采空區。9號煤層與8號煤層屬近距離開采煤層，8號煤層采空區積水對9號煤層掘進影響較大。

2 探放水方案選擇

以往西銘礦9號煤層探放水一直采用在掘進頭超前探放的辦法，由于9號煤層工作面與上部采空區層間距較小，屬近距離探放水，從探放水實際工作效果來看，近距離煤層探放水往往存在當鉆孔設計傾角較小，鉆孔向下飄鉆，無法打透采空區的情況，以及當局部煤巖層下山傾角大或設計鉆孔傾角較大時，鉆孔不出水或者出水極少，放水效果不佳的情況。由于48403采空區尾巷成巷時間久，封閉年久失修，若通過打開密閉進入48403采空區尾巷進行排水、放水，巷道維護非常困難；同時尾巷內與采空區多處溝通，瓦斯涌出量大，不能形成獨立通風系統，有較大的安全隱患。

通過應用千米定向鉆機進行遠距離探放水，相較于以往在巷道迎頭超前探放水，工程量小，效率高，縮短了探放水時間，但是也存在鉆孔距離遠，施工鉆孔難度大，放水孔易堵塞，后期不易疏通等情況。

3 探放水方案設計

49403工作面上覆8號煤層48403工作面采空區內有積水，對49403工作面掘進施工造成了水害隱患，為解除隱患，保證施工安全，需進行超前探放水。在主運輸膠帶巷與48708膠帶巷聯絡巷貫通位置設置鉆場，使用VLD-1000型千米鉆機進行遠距離探放水，共布置3個探放水鉆孔，鉆孔最終通過打透南四大尾巷以及48403采空區后進行放水。

3.1 鉆場及鉆孔設計參數

根據鉆探區域巷道條件及采空積水賦存情況，在主運輸膠帶巷與48708膠帶巷聯絡巷貫通位置(測B34號點前22 m)設置鉆場，使用VLD-1000型千米鉆機進行遠距離探放水，共設計施工3個探放水鉆孔，其中2個放水孔終孔打透48403尾巷，1個放水孔從48403尾巷下部穿過終孔打透48403采空區，鉆孔出水經自壓經過主運輸膠帶巷排至1018大巷水溝自流出井。探放水鉆孔設計參數見表2。

表2 49403工作面探放水鉆孔設計參數

鉆孔具體布置見圖1。

圖1 探放水鉆孔布置示意

3.2 鉆孔施工順序、固管材料和工藝

開鉆前，加強鉆場附近的支護，確保無片幫、頂板離層掉渣等現象，水泵熱備，由K1至K3依次施工，間距為6 m?？卓诠芄軓饺110 mm無縫鋼管，根據《煤礦防治水細則》要求，此次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10.3 m?？卓诠懿捎盟酀{固定在孔內，在距孔口管0.2～0.5 m兩側各打1根錨桿，用錨鏈將孔口管(帶閘閥)與錨桿固定。保證固管時間不少于48 h，并做至少0.5 h的耐壓試驗，水壓為最大水頭值的2.5～3.0倍，當套管不漏水時，方可進行鉆探施工?？卓谠O計見圖2。

圖2 孔口設計示意

3.3 鉆機型號及主要參數

考慮到鉆孔傾角、方位、深度及探放水難易程度等情況，本次鉆探作業鉆機選用澳鉆VLD-1000型鉆機，其主要參數見表3。

表3 VLD-1000型鉆機主要參數

3.4 鉆孔涌水量及排水系統

1) 鉆孔涌水量計算。單孔出水量估算公式：

(1)

式中：c為流量系數，取0.6；w為鉆孔的斷面積，m2，直徑取96 mm；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為鉆孔出口處的水頭高度，取18 m；h為最大水頭高度的40%～45%，取40%.

代入各項參數計算得出單孔平均涌水量為50.8 m3/h。

2) 放水時間計算。

3) 排水系統。排水管徑計算：

(2)

式中：QB為水泵的流量，取平均涌水量50 m3/h；Vp為排水管的經濟流速(范圍為1.5～2.0 m/s)，取2.0 m/s。代入各項參數計算得排水管徑為94 mm。

根據單孔最大涌水量，探水前需在探放水現場掘臨時水倉，其尺寸為2 m×2 m×1.5 m(長×寬×高)，并配置2臺4DA-8×9型離心泵(Q=54 m3/h，揚程144 m)，在放水點經主運輸膠帶巷排至1018水溝。

排水路線：探放水現場(標高+1 048 m)—主運輸膠帶巷(標高+1 052 m)—1018大巷(標高+1 049 m)—井外。

4) 放水時間計劃。根據49403軌道巷生產銜接計劃，預計2020年2月28日掘進至積水線位置；如果以排水量50 m3/h計算，放水時間約40 d，考慮到鉆場施工、鉆機就位及鉆孔施工的時間約15 d，因此理論開始放水時間為2020年1月5日，因該探放水方案為首次使用，且鉆孔距離遠，為弧形孔，存在施工鉆孔難度大，放水孔易堵塞，后期不易疏通等因素，因此需至少提前1個半月進行探放水(即2019年11月20日)。

4 經濟社會效益

4.1 經濟效益

1) 探放水投入成本大幅度降低，節省了大量人力、物力、財力，真正做到了“一優三減”。較以往的探放水方法，本次探放水減少了32次探放水循環，減少了160個放水孔，累計減少鉆探進尺3 200 m。減少套管160根，水泥55 t，水門160個，打鉆工時960個，以及節省了大量的輔助材料。累計節省探放水資金935 650元。

2) 放水孔不需要水泵排水，通過自壓排水達7.5萬m3(實際放水量比預計積水量多3.4萬m3)，不僅節省了排水設備的折舊費和損耗費，而且僅排水所用電費就節省了15萬元。

4.2 社會效益

1) 確保了工作面提前至少6個月貫通，縮短了工作面的掘進時間，極大地緩解了采掘銜接緊張的局面，產生的經濟效益極大。

2) 避免人員在受老空積水威脅的區域進行施工作業，保障了作業人員人身安全。

3) 極大地減少了探放水循環，降低了企業經營成本，增強了企業競爭力。

4) 降低了人工勞動強度，提高了工作效率。

5) 該探放水方法安全、高效、投入少。尤其為煤礦遠距離探放近間距老空積水提供了新的解決辦法和手段，值得在近間距煤層探放水中推廣應用。

與以往的探放水方法相比較，應用定向鉆機遠距離探放水可以大幅度減少探放水循環次數和探放水鉆孔數量，極大地提高了放水孔單孔利用率，投入成本大幅度降低，節省了大量人力、物力、財力，同時又縮短了工作面的掘進時間，極大地緩解了采掘銜接緊張的局面，而且在下部煤層頂板管理上和確保施工人員安全上均能體現出顯著效果，由于近間距煤層開采在煤礦開采中屬普遍現象，因此該方法在近間距煤層探放水工作中具有現實的推廣意義。