仰孔分段注水法鉆探與高抽巷優(yōu)化布置研究

呂立斌

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 一礦，山西 陽(yáng)泉 045008）

高抽巷是陽(yáng)泉礦區(qū)常用的鄰近層卸壓瓦斯抽采方式。目前高抽巷的設(shè)計(jì)和支護(hù)主要依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高抽巷的最佳布設(shè)位置缺乏深入研究，制約了高抽巷的使用效果。高抽巷優(yōu)化布置的關(guān)鍵是確定覆巖變形破壞范圍。目前覆巖探測(cè)方法種類很多，如經(jīng)驗(yàn)公式法，數(shù)值模擬，材料模擬，鉆探和常規(guī)物探等，但都存在一定局限性。為了獲得覆巖變形破壞精細(xì)探測(cè)數(shù)據(jù)，確定試驗(yàn)區(qū)覆巖變形破壞范圍和高抽巷優(yōu)化布置方案，開展了本項(xiàng)目研究。

本項(xiàng)目以陽(yáng)煤一礦81401工作面為試驗(yàn)地點(diǎn)，通過(guò)仰孔分段注水法鉆探，確定陽(yáng)煤一礦81401工作面覆巖變形破壞范圍，提出高抽巷優(yōu)化布置方案。

1 技術(shù)方法

井下仰孔分段注水觀測(cè)法在井下采煤工作面周圍選擇合適的觀測(cè)場(chǎng)所，例如在相鄰工作面的平巷或所測(cè)工作面的停采線或開切眼以外的巷道中開掘鉆場(chǎng)，向采空區(qū)上方打仰斜鉆孔，鉆孔應(yīng)避開冒落帶斜穿裂隙帶，達(dá)到預(yù)計(jì)的裂隙帶頂界以上一定的高度，使用“鉆孔雙端封堵測(cè)漏裝置”沿鉆孔進(jìn)行分段封堵注水，測(cè)定鉆孔各段水的漏水流量，以此了解巖石的破裂松動(dòng)等相關(guān)情況，確定裂隙帶的上界高度。

2 鉆孔布置方案

選擇在停采線附近，其次要考慮鉆孔開工處沒有大的地質(zhì)構(gòu)造圍巖要有完整性，以便于巷道峒室的維護(hù)和在觀測(cè)過(guò)程中孔口的完整，還應(yīng)考慮水源、通風(fēng)行人的方便。綜合考慮上述因素，決定將觀測(cè)剖面設(shè)在81401工作面停采線附近的進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，停采線外距離停采線10 m處施工2個(gè)探測(cè)鉆孔，其中1#探測(cè)鉆孔為采后觀測(cè)鉆孔，2#探測(cè)鉆孔為采前觀測(cè)鉆孔。2個(gè)探測(cè)鉆孔的方位、傾角、孔徑、長(zhǎng)度參數(shù)見鉆孔參數(shù)如表1所示，鉆孔布置見圖1。

圖1 鉆孔布置

1#探測(cè)鉆孔與81401進(jìn)風(fēng)巷中線成30°角，見圖1（a）；高度控制在98 m左右，水平上終孔位置在工作面以里54 m。

2#探測(cè)鉆孔與81401進(jìn)風(fēng)巷中線成25°角，見圖1（b）；高度控制在85 m左右，水平上終孔位置在工作面以外38 m。

本次裂隙帶探測(cè)工程共設(shè)計(jì)2個(gè)鉆孔，即1#探測(cè)鉆孔和2#探測(cè)鉆孔。其中表1中的孔深均為從煤層頂板處開始算起。

表1 設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)一覽表

觀測(cè)地點(diǎn)除能放置一臺(tái)鉆機(jī)及其鉆桿等配套器材外，還需容納4～6人進(jìn)行鉆機(jī)作業(yè)與觀測(cè)，場(chǎng)地面積應(yīng)不小于8 m2，高度控制在2.5 m上下，不宜過(guò)高。作業(yè)場(chǎng)所內(nèi)應(yīng)配備不小于1 MPa的高壓水源管路及相應(yīng)的閥門和接頭。

3 探測(cè)過(guò)程

2017年3月10日，華北科技學(xué)院技術(shù)人員3人，帶著探測(cè)儀器入駐現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)與陽(yáng)煤一礦通風(fēng)工區(qū)王工、劉隊(duì)長(zhǎng)等相關(guān)技術(shù)人員討論，明確了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施地點(diǎn)、鉆孔施工參數(shù)及測(cè)試所需的靜壓水管、注水泵連接等事宜，并在地面焊接了轉(zhuǎn)換接頭4個(gè)。在礦領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)技術(shù)人員的大力支持下，至3月16日，順利完成了2個(gè)探測(cè)孔的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作，累計(jì)分段注水測(cè)點(diǎn)102個(gè)。

3月11日鉆機(jī)到位，開始施工1#探測(cè)鉆孔（采后鉆孔），孔徑94mm，3月13日早班下井開始測(cè)試，由于鉆桿加上捆綁的鋼編管直徑約90mm，導(dǎo)致探測(cè)裝置在孔內(nèi)輸送不順暢，與礦上技術(shù)人員討論，改用113mm鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔，之后再進(jìn)行探測(cè)。

3月14日1#鉆孔擴(kuò)孔完成，下午下井進(jìn)行探測(cè)。井下系統(tǒng)性檢查探測(cè)裝置密封性后，開始送入鉆孔進(jìn)行探測(cè)，從鉆孔3.5 m深度（送入鉆孔2根鉆桿，單根鉆桿長(zhǎng)1.5 m，單根膠囊長(zhǎng)度約0.5 m）開始測(cè)試。

1）首先打開井下靜壓水管閥門，調(diào)節(jié)起脹平臺(tái)上進(jìn)水閥門，控制注水壓力為0.5 MPa，探測(cè)裝置的上、下膠囊膨脹實(shí)現(xiàn)封孔，鉆孔內(nèi)形成一段封閉測(cè)試空間。

2）2）打開注水泵，壓力水通過(guò)鉆桿內(nèi)部空間進(jìn)入鉆孔內(nèi)部封閉測(cè)試段（鉆桿連接處用麻繩纏繞保持密封性），調(diào)節(jié)注水平臺(tái)進(jìn)水閥門控制注水壓力為0.1 MPa，觀測(cè)并記錄每分鐘的注水量。

3）關(guān)閉注水平臺(tái)進(jìn)水閥門，打開氣脹平臺(tái)進(jìn)水閥門使上、下膠囊泄壓收縮，觀測(cè)并記錄注水平臺(tái)上壓力表數(shù)值，此為探測(cè)裝置所處高度處的管路靜水壓力，簡(jiǎn)稱“高程靜壓”。

4）孔外添加1根1.5 m鉆桿，將探測(cè)裝置繼續(xù)推進(jìn)鉆孔1.5 m，按照上述步驟進(jìn)行測(cè)試，注水壓力為前個(gè)測(cè)試段的高程靜壓加上0.1 MPa，觀測(cè)并記錄每分鐘的注水流量。

5）按照上述程序，逐段推進(jìn)（每次推進(jìn)1.5 m），逐段上行測(cè)試每分鐘的注水流量。鉆孔內(nèi)測(cè)試段裂隙發(fā)育區(qū)域注水量較大，根據(jù)注水量大小可分析判斷出覆巖裂隙帶的發(fā)育情況。

3月15日晚班施工完成2#探測(cè)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度90 m，按照上述測(cè)試方法完成了鉆孔的上行逐段探測(cè)工作。

4 探測(cè)結(jié)果

圖2為1#和2#探測(cè)孔的注水流量曲線圖。由圖可見，1#探測(cè)孔（采后鉆孔）在15#煤上方3～20 m之間，由于鉆孔未進(jìn)入采動(dòng)影響范圍，注水流量較小，普遍低于6 L/min；在20～71 m之間，此時(shí)已進(jìn)入采空區(qū)上方裂隙帶內(nèi)，注水流量較大，大部分高于10 L/min，最大流量達(dá)18 L/min，此段裂隙發(fā)育，處于采動(dòng)影響裂隙帶內(nèi)。從73.8 m開始，注水流量顯著減小，之后6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的注水流量均為2 L/min，其中1個(gè)點(diǎn)測(cè)值為0，鉆孔開始進(jìn)入彎曲下沉帶（壓實(shí)）范圍。2#探測(cè)鉆孔為對(duì)比分析鉆孔，未受到采動(dòng)影響，整個(gè)測(cè)試過(guò)程注水流量均較小，最大流量值為8 L/min，大部分均小于6 L/min，其中3個(gè)點(diǎn)測(cè)值為0。

圖2 探測(cè)結(jié)果

綜上分析，將測(cè)試段注水流量大于10 L/min作為裂隙帶高度判據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)成果，陽(yáng)煤一礦81401工作面鉆探位置裂隙帶高度為71～73.8 m，最大發(fā)育高度73.8 m。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在一礦81401工作面停采線附近的進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，停采線外距離停采線10 m處施工2個(gè)探測(cè)鉆孔，采用井下仰孔分段注水觀測(cè)法對(duì)覆巖變形破壞進(jìn)行鉆探探測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)成果，陽(yáng)煤一礦81401工作面鉆探位置裂隙帶最大發(fā)育高度73.8 m。鉆探位置裂隙帶發(fā)育高度位于55～98 m的主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵詞之間，說(shuō)明鉆探位置停采40天后亞關(guān)鍵層已破斷，但裂隙尚未發(fā)育至主關(guān)鍵層。

研究建立的覆巖變形破壞精細(xì)探測(cè)技術(shù)及提出高抽巷優(yōu)化布置方案，有利于一礦及相似地質(zhì)條件礦井合理布置高抽巷層位。同時(shí)，由于該項(xiàng)目技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著，不僅能夠有效指導(dǎo)礦井工作面高抽巷布置，提高瓦斯抽采效果，而且對(duì)水害防治和水資源保護(hù)提供了開采上限的依據(jù)。為礦井安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

〔1〕范志勝，等.應(yīng)用井下仰孔分段注水觀測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨萚J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37（6）.

〔2〕張 朋.仰孔分段注水技術(shù)在黃陵二號(hào)煤礦采空區(qū)頂板裂隙帶探測(cè)中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2016，8（4）.