煤矿井下综采防水技术的应用

时间：2024-07-28

张博旷

（同煤集团挖金湾煤业公司，山西大同 037000）

5136 综采面为挖金湾煤业新投入的综采作业区，工作面是 5 号煤层 965m 水平 513 采区第六个回采工作面，上距4 号煤层平均间距17.30m。煤层厚度 5.81～13.26m，平均为9.70m，可采性指数为1.2，煤厚变异系数为19.7%，是本区的主要稳定可采煤层。煤层结构相对复杂，一般含夹石3 层，局部多达8 层，夹石单层厚度一般不大于 0.60m。煤层顶板多为泥岩。根据 5136 底抽巷涌水特征，初期表现为顶、底板涌水及煤壁淋水，稳定涌水量约为15m3/h，具有砂岩水的涌水特点，后期峰值涌水量较大（115m3/h）且持续没有衰减，表现为煤层充水，分析为奥灰水通过导水通道进入煤层内，给5136 作业面的正常生产造成了较大的影响。目前挖金湾煤业所采用的井下防水方案主要是利用钻机钻探后确定排水孔位置，然后利用梯形管进行排水。实际应用中发现该方案存在成本高、效率低的缺陷，而且管口没有防突装置，当水压过大时极易出现突水事故，给井下综采作业造成严重的影响。因此项目组提出采用超前钻孔放水施工方案，在传统钻孔方案基础上对该钻孔方案进行优化，提升操作效率和安全性。根据在挖金湾煤业5137 综采面的实际应用表明，该超前钻孔放水技术方案能够显著降低综采过程中出现涌水的概率，具有极好的应用效果。

1 钻孔时钻场加固

由于现在的钻机不断向着大功率、大钻进扭矩方向发展，钻机在钻进过程中的振动冲击较大，因此对各个系统参数和稳定性的要求均较大[1]，在钻进工作中提供的钻进力矩较大，因此必须要求钻进区域的地基要牢固。在进行直径大、深度长的孔洞钻进时还必须对该区域内的地基进行一定的处理，避免在钻进过程中出现松动、垮塌。由于5136 巷道底板有浮煤及松软地层，因此项目组制定了新的钻场加固方案，其结构如图1 所示[2]。

图1 煤矿井下钻场加固结构示意图

2 钻进施工

开孔是钻孔能否达到施工要求的关键。“上面不正下面歪”，可以说明开孔与孔斜的关系。钻孔的孔斜超标，就意味着钻孔不能达到施工目的层位而造成钻孔报废甚至意外事故。因此开孔前一定要做好以下工作：（1）对钻机安装质量进行检查，严禁钻机不稳开孔；（2）使用质量合格的钻具开孔，严禁使用弯曲钻具开孔；（3）开孔时要严格按照开孔三要素（即轻压、慢转、小水量）进行施工控制；（4）为了降低钻头在钻进过程中剥离岩石所产生的切向力，采用了在岩石上预先凿出一个钻窝的方案，从而在钻进时形成一个反切向力，确保钻进时的稳定性和可靠性。

在钻进的过程中，由于巷道中的钻场空间所限，采用了短钻杆的钻进技术方案。但由于采用短的钻杆钻进，在操作过程中需要不断地停钻进行钻杆更换，每一次更换均会导致较长时间的停滞，而且取出钻头的时候又会将钻孔底部的碎屑留在钻孔的台肩上，当钻头重新插入时，对钻头产生一个钻进偏心力，影响钻进的稳定性和钻头的使用寿命。通过多次验证后，在5136 综采面钻进时采用在每一次换接钻杆后重新开钻时，先不断地轻压钻杆，然后以正常钻进速度1/3 的转速进行钻进。虽然该方案会产生一定的磨合期，但能够有效地确保钻进的安全性和一致性。判断孔底钻头与岩石面是否磨合完整的方法是，回转压力表的指针达到小幅均匀摆动即可。采用该钻进方案后能够将钻进效率提升10%以上。

在煤矿井下含水层钻进过程中由于水压较大，因此一旦触及含水层，内部的积水在水压作用下就会溢出，逐渐超出孔口。如果此时不能采取有效的封堵措施，往往会造成突发性的涌水事故，导致巨大的经济损失和人员伤亡，因此探放水钻孔应安设钻孔安全装置。在5136 综采面钻进时要求设置钻孔孔口管，探放水钻孔孔口管选用地质钻孔套管管材，孔口管的长度根据钻孔可能遇到的最高水压、钻孔孔口岩石条件等因素按《煤矿防治水细则》经验值选定[3]，如表1 所示。由于5136 综采面钻进时的最大突水压力为2.6MPa，因此孔口管的长度设置为15m。

表1 孔口管长度对照表

探放水钻孔孔口管材质为地质勘探用无缝钢管，上部与法兰盘焊接，管壁外以 6#铅丝（或其他可替代金属丝）缠绕，并用电焊焊牢。孔口管下部切割为锯齿状，以便于固管时出浆。孔口管装置如图2 所示。

图2 煤矿井下钻孔孔口管结构示意图

3 探放水孔钻进过程中的防突方案

在钻进过程中如果发生突水事故将造成重大的损失，因此在5136 综采面探放水孔钻进过程中，首次应用了防突水装置。整体结构如图3 所示[4]。

图3 煤矿井下钻孔防突水装置结构示意图

在钻孔钻进施工中，首先在管口设置一个相应直径的高压阀，同时在钻头的后侧设置一个逆止阀，确保钻进过程如果遇见高压水或者有害气体时能够实现带压卸下钻具。当钻头钻入钻孔以后，在钻杆上安装一个防止突水的封孔器，封孔器和钻杆之间留一定的间隙，保证钻进过程中能够在钻杆上来回滑移，避免不断的人工调整。设置完成后可以打开封孔器侧边的截止阀，然后开始执行正常的钻进作业。在钻进时如果遇见突水事故则可以及时关闭截止阀，然后带压卸除钻杆，避免出现突水事故。在卸钻头时要注意先关闭大直径孔口高压阀，最后将防突封孔器前法兰放松与钻头一并卸出。期间可在封孔器旁路截止阀处安置三通管路进行钻孔内压力监测。钻孔施工完成后，可在大直径孔口高压阀外安装管线以便进行可控放水或注浆封闭钻孔。