探水鉆孔卸壓控水裝置設計及應用

于鵬飛

（晉能控股煤業集團惠陽煤礦，山西 晉城 048100）

1 惠陽煤礦15111運輸順槽掘進工作面概況

晉能控股煤業集團惠陽煤礦15111運輸順槽掘進工作面位于井田的東南部，巷道設計長度約920 m、寬度4.2 m、高度2.8 m，掘進斷面11.76 m2，開口方位角為180°00′00″，沿15號煤層頂板掘進，掘進坡度為3°～20°，該巷道服務于15111綜采工作面的主要運輸與開采工作，截至目前巷道已掘進420 m。

15111運輸順槽掘進工作面煤層厚度1.3～3.6 m，平均厚度約1.86 m，部分發育0～1層夾矸，矸厚0.10～0.35 m，結構簡單。煤層的物理性質：黑色，條帶狀，以亮煤為主，夾帶鏡煤，呈條帶狀結構和層狀構造，煤層較穩定。巷道直接頂為深黑色泥巖，厚度1.20～4.36 m；老頂為K2灰巖，厚度4.23～10.26 m；巷道直接底為泥巖，厚度1.30～3.02 m；老底為灰巖，厚度3.44～10.25 m。

根據15111回風順槽（原15103回風順槽）所揭露出來的實際情況推測，15111運輸順槽掘進工作面巷道頂板多為滴水型和淋水型，該區域頂板含水層的巖性為K2灰巖，巖溶裂隙，富水性弱。根據公式計算預計工作面最大涌水量4.9 m3/h，正常涌水量為3.7 m3/h。為了保證巷道安全快速掘進，巷道掘進期間決定進行超前探放水施工，但是由于傳統探水鉆孔孔口處安裝卸壓裝置，結構簡單、卸壓效果差，導致前期放水過程中受水壓作用，孔口管處出現嚴重竄動現象，不利于探放水施工安全[1-2]。

2 新型卸壓控水裝置結構及工作原理

為了進一步提高探放水施工安全，防止因水壓作用出現透水事故，惠陽煤礦地測科通過技術研究，對15111運輸順槽探水鉆孔安裝了一套新型卸壓控水裝置。

2.1 結構

1）新型卸壓控水裝置主要由環形卡箍、控水管、閘閥、水壓表、封孔套管、控水閘閥、法蘭盤、頂絲扳手等部分組成，如圖1所示。

圖1 新型卸壓控水裝置結構示意圖

2）15111運輸順槽探水鉆孔采用的封孔套管長度為3.0 m、直徑為1.8 mm，為PVC管，套管兩端焊接一個絲扣和螺口，由于15111運輸順槽擴孔深度為11 m，所以鉆孔內共計安裝4節封孔套管，套管之間采用絲扣連接固定，套管安裝后外露長度為1.0 m。

3）由于15111運輸順槽探水鉆孔擴孔直徑為130 mm，而孔口套管直徑為108 mm，為了固定孔口套管，在套管與鉆孔壁之間采用膨脹水泥進行封孔處理，封孔長度不得低于8 m。

4）在孔口套管外露端分別安裝法蘭盤、水壓表、控水閥門等，環形卡箍長度為0.2 m，采用阻燃橡膠制成，卡箍上下兩側安裝頂絲扳手，通過頂絲扳手可實現卡箍對鉆桿進行固定作用。

5）水壓表主要監測放水壓力、控水閥門安裝在控水管下端，當水壓較大時，可通過控水閥門進行放水卸壓作用；控制閘閥主要對鉆孔出水時進行臨時堵水作用。

2.2 工作原理

1）當探水鉆孔施工深度達11 m后及時更換直徑為130 mm擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔深度為11 m，擴孔后鉆孔直徑為130 mm，鉆孔擴孔完成后對鉆孔內安裝封孔套管，然后采用注漿泵向套管與孔壁之間間隙填注膨脹水泥進行封孔處理，封孔2 h后鉆孔方可繼續鉆進。

2）封孔套管安裝后在外露套管上依次安裝環形卡箍、法蘭盤、閘閥、水壓表、控水閥門，待所有配件全部安裝到位后，鉆孔方可繼續鉆進。

3）鉆孔鉆進至積水區時，當水壓小于0.5 MPa時可直接拔出鉆桿通過卸壓控水裝置進行放水。

4）當積水區水壓大于0.5 MPa時直接拔出鉆桿很容易發生孔口管竄動現象，此時通過擰動頂絲扳手使環形卡箍緊緊抱住鉆桿，防止受水壓作用出現鉆桿噴射現象；鉆桿固定后打開控水閥門進行放水卸壓，在放水卸壓過程中通過閘閥控制住水量，防止水量過大導致控水閥門噴水現象。

5）卸壓放水一段時間后當積水區水壓低于0.5 MPa時，及時關閉控水閥門并反方向擰頂絲扳手，使環形卡箍松動，然后拔出鉆桿，通過控水管進行放水，如圖2所示。

圖2 卸壓控水工作原理框架圖

3 新型卸壓控水裝置優缺點及應用效果

3.1 裝置優缺點

3.1.1 優點

1）成本費用低：新型卸壓控水裝置結構相對簡單，整套裝置成本費用不足0.32萬元，便于操作維護。

2）卸壓控水效果好：與傳統孔口放水裝置相比，新型卸壓控水裝置可根據水壓大小實現卸壓作用，有效防止了傳統孔口放水裝置因水壓大出現頂鉆、孔口管竄動以及鉆桿噴射現象，提高了探放水施工安全，具有很好的卸壓控水效果。

3）應用領域廣：新型卸壓控水裝置不僅可用于煤礦井下探水施工，而且可用于隧道施工、地鐵施工，受施工環境及地質條件影響小，應用領域廣[3-4]。

3.1.2 缺點

1）由于鉆孔在施工過程中產生高濃度粉塵，導致控水裝置水壓表內部進入浮塵，影響監測水壓精度，需定期對其進行清理并更換密封圈；

2）環形卡箍長期使用時，很容易出現彈性失效，需定期進行更換。

3.2 實際應用效果

15111運輸順槽掘進至420 m處時對巷道內探水鉆孔安裝了新型卸壓控水裝置，截止2021年4月21日巷道已掘進到位，巷道每掘進70 m在工作面迎頭施工一排探水鉆孔，每排3個，巷道從420～710 m段共計施工12個探水鉆孔，后期掘進過程中共計放水量為3 389 m3，在420～540 m段上覆積水平均壓力為1.4 MPa，其他區域上覆積水平均壓力為0.7 MPa，通過現場放水施工來看，鉆孔安裝新型卸壓控水裝置后，在后期探放水施工時未出現孔口管竄動及頂鉆現象，實測控制裝置可最大承受水壓為2.0 MPa，滿足煤礦井下探放水施工需求。

4 結語

煤礦井下探放水施工過程中鉆孔封孔及防水控水是兩個重要環節，對于積水壓力較高區域探放水施工時若不采取合理有效的控水措施很容易發生透水事故。對此，惠陽煤礦地測科基于傳統探水鉆孔控制裝置主要存在的問題，對15111運輸順槽探水鉆孔安裝了一套新型控水裝置，通過實際應用效果來看，該裝置具有控水效果好、卸壓作用強、實用性強等優點，有效保證了采掘巷道探放水施工安全。