囊袋式“兩堵一注”封孔工藝在煤礦地質(zhì)探放水中應(yīng)用

王鵬江

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300）

煤礦地質(zhì)探放水是消除礦井水害，避免礦井水害事故發(fā)生的重要技術(shù)手段，而探水鉆孔封孔長度長度合理確定以及采取有效的封孔工藝是保證探水施工質(zhì)量的前提，本文以大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限公司小峪煤礦為例，分析礦井在探水鉆孔封孔期間主要存在的問題，并提出了囊袋式封孔工藝、煤屑量法確定封孔長度以及架設(shè)“L”鋼棚對鉆場煤壁進(jìn)行維護(hù)。

1 概 述

大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限公司小峪井田位于大同煤田中部的東南邊緣，地處懷仁境內(nèi)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2Mt/a，礦井主采煤層為石炭系2#、3#、4#、5#、8#煤層，現(xiàn)回采煤層為一水平4#煤層，平均厚度為3.55m，本礦井水文地質(zhì)條件簡單,井田內(nèi)無古窯水,接近河床的上層煤采空區(qū)會有少量積水，主要充水水源為頂板上覆巖層裂隙含水層及構(gòu)造含水層，礦井采掘期間預(yù)計(jì)正常涌水量40～60m3/h，最大涌水量90m3/h。

為了防止礦井采掘工程施工中水害事故發(fā)生，小峪煤礦在回采工作面布置前以及巷道的掘進(jìn)施工過程中通過布置探水鉆孔進(jìn)行水害防治，根據(jù)礦地測部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，2017年小峪煤礦共計(jì)施工427個探水鉆孔，鉆孔總長度為4.8萬m，共計(jì)放水量達(dá)5754m3。

由于小峪煤礦探放水施工期間對鉆孔封孔質(zhì)量重要性重視不足以及封孔技術(shù)水平相對落后，鉆孔封孔后在放水時經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔四周煤壁滲水、孔口管竄動現(xiàn)象，其中在505皮帶延伸巷1120～1510m以及1730～1940m段探放水施工中，因鉆孔封孔不牢固造成三次鉆孔突水事故，盤區(qū)被迫停產(chǎn)4天，部分機(jī)電設(shè)備淹毀，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)92.43萬元。

2 探放水施工中主要存在的問題

通過對探水鉆孔施工、封孔工藝等觀察研究發(fā)現(xiàn)，小峪煤礦探放水過程中主要存在以下幾方面不足。

2.1 鉆孔封孔長度不足

1）小峪煤礦探水鉆孔封孔時，施工技術(shù)人員對鉆孔封孔長度未進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算驗(yàn)證，所有探水鉆孔封孔長度確定為8m。

2）由于小峪煤礦回采煤層屬于石炭系煤層，煤層裂隙發(fā)育，受鉆孔施工擾動影響，鉆孔在軸向方向依次形成卸壓破壞帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶，若鉆孔封孔區(qū)域處于軸向卸壓破壞帶內(nèi)，鉆孔封孔后在放水過程中受水壓影響，造成積水從鉆孔卸壓破壞帶煤體裂隙內(nèi)滲入，導(dǎo)致煤壁滲水現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)小峪煤礦鉆孔封孔長度在8.0m范圍內(nèi)未完全處于原巖應(yīng)力帶中，是造成鉆孔煤壁滲水主要原因之一。

2.2 封孔工藝落后

1）小峪煤礦探水鉆孔主要采用水泥砂漿進(jìn)行封孔，注漿壓力為1.2MPa,封孔5h后進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，平均耐壓值為0.8MPa，耐壓試驗(yàn)合格3h后進(jìn)行探放水施工。

2）由于鉆孔在施工期間鉆孔四周煤壁受擾動力、地應(yīng)力等影響，在鉆孔在徑向煤體產(chǎn)生充分卸壓區(qū)、非充分卸壓區(qū)、卸壓擴(kuò)展區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，而小峪煤礦采用水泥砂漿進(jìn)行封孔且注漿壓力為0.8MPa，無法使注漿液完全滲入到卸壓擴(kuò)展區(qū)，且注漿液凝固時間長，對煤體裂隙粘接填充效果差，通過現(xiàn)場窺視孔觀察發(fā)現(xiàn)，小峪煤礦探水鉆孔卸壓區(qū)延伸長度達(dá)3.0m，而水泥砂漿滲入煤體裂隙捏長度僅為1.4m。

2.3 鉆場加固措施不到位

1）小峪煤礦在探放水施工中，對鉆場主要采用支設(shè)木柱法進(jìn)行加固，鉆場四周支設(shè)兩排長度為3.5m，直徑為30mm木柱，木柱間距為1.5m，第一排木柱緊貼鉆孔煤壁，木柱間采用長度為2.0m，寬度為0.3m木板加固。

2）由于石炭系煤層成破碎狀，破碎煤體單軸抗壓強(qiáng)度不足35MPa,鉆孔附近破碎煤體膠結(jié)穩(wěn)定性及承載能力差，鉆孔在放水時受水力作用下會導(dǎo)致孔口向里一定范圍內(nèi)煤體沖垮現(xiàn)象，從而造成鉆孔封孔失效，發(fā)生透水事故。

3 囊袋式封孔工藝應(yīng)用

為了提高鉆孔封孔質(zhì)量，通過研究決定對小峪煤礦探水鉆孔采用煤屑量法確定封孔長度，采用囊袋式“兩堵一注”封孔工藝、以及采用注漿及架設(shè)“L”鋼棚對鉆場進(jìn)行維護(hù)。

3.1 封孔長度確定

1）探水鉆孔在施工過程中鉆孔煤體應(yīng)力變化會造成不同深度的煤屑量發(fā)生變化，所以根據(jù)鉆孔內(nèi)產(chǎn)生的煤屑量多少，合理判斷出鉆孔軸向卸壓破壞帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶，將孔口至煤體原始應(yīng)力帶最短距離確定為封孔距離。

2）通過對小峪煤礦一水平4#煤層施工3個長度為20m的試驗(yàn)鉆孔觀察發(fā)現(xiàn)，在0～7每個m范圍內(nèi)每個鉆孔平均煤屑量為4kg/m，在7～10m范圍內(nèi)煤屑量成遞增趨勢，10～12m范圍內(nèi)煤屑量達(dá)到最大值5.4kg/m，從11.5～20m范圍內(nèi)煤屑量成下降趨勢，最終趨于穩(wěn)定，如圖1所示，由此可見煤體原始應(yīng)力帶位于11.5m之外，所以將鉆孔封孔長度確定為12m。

圖1 試驗(yàn)鉆孔鉆孔深度與產(chǎn)生煤屑量變化曲線示意圖

3.2 囊袋式封孔工藝

1）原理：囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔技術(shù)主要是通過高壓注漿液對封閉環(huán)形空間進(jìn)行封堵，將高壓注漿液完全擠入至鉆孔附近煤體應(yīng)力擾動溝通裂隙內(nèi)，從而提高了鉆孔周圍煤體穩(wěn)定性，達(dá)到密封微孔裂隙的目的。

2）施工設(shè)備及材料：孔口管4根，每根長度為3.0m，直徑為120mm；導(dǎo)向合金鉆頭5個，直徑為75mm，三翼擴(kuò)孔鉆頭3個，直徑為150mm；PKJW型封孔器2個；三棱高壓密封鉆桿20根，長度為1.0m，直徑為65mm；高壓注漿泵一臺以及壓力表、閥門等；FKL-1型礦用封孔注漿材料。

圖2 探水鉆孔囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔施工示意圖

3）施工方法：①探水鉆孔施工12.5m后停止鉆進(jìn)，并更換三翼擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后鉆孔直徑為150mm，長度為12m，并將鉆孔內(nèi)煤屑清理干凈；②鉆孔擴(kuò)孔后及時安裝孔口管，共計(jì)安裝四根，相鄰兩根孔口管之間采用絲扣進(jìn)行連接；③孔口管安裝后采用注漿泵在孔底0.5m范圍內(nèi)注入膨脹水泥，并在孔內(nèi)0.5m及11.5m處安裝一個PKJW型封孔器，每個封孔器封孔長度為0.5m，兩個封孔器之間形成一個封孔環(huán)形空間；④利用高壓注漿泵及注漿小管對環(huán)形封閉空間內(nèi)高壓注射FKL-1型礦用封孔注漿材料，注漿壓力不得低于2.5MPa，注漿期間發(fā)現(xiàn)煤壁有漿液滲出時停止注漿，并采用膨脹水泥對孔口往里0.5m范圍內(nèi)繼續(xù)封堵，如圖2所示。

3.3 鉆場煤壁維護(hù)措施

為了進(jìn)一步提高鉆場煤體放水期間穩(wěn)定性，防止因煤壁垮落造成透水事故，鉆孔施工后放水前決定對鉆場煤壁采取注漿及架設(shè)“L”型鋼棚進(jìn)行聯(lián)合維護(hù)。

1）在鉆場煤體施工三個注漿鉆孔，鉆孔深度為5.0m，直徑為45mm，鉆孔施工完后采用注漿泵向鉆孔內(nèi)注射馬麗散與催化劑配比為1：1漿液，注射壓力不低于1.0MPa。

2）煤體注漿3h后，在煤體處架設(shè)“L”型鋼棚，鋼棚主要由棚腿和頂梁組成，且采用卡纜進(jìn)行固定；棚腿長度為3.5m（巷高），頂梁長度為1.5m，棚腿與頂梁上各焊制一個直徑為25mm圓孔。

3）架設(shè)鋼棚時首先采用地錨將棚腿與底板固定，鋼棚兩邊采用兩根長度為1.0m，直徑為22mm螺紋鋼錨桿將鋼棚與煤壁及頂板進(jìn)行錨固，如圖3所示。

4）鋼棚架設(shè)后在鋼棚與煤壁間隙處填塞水泥背板，確保鋼棚對煤壁起到有效的支護(hù)作用。

3.4 應(yīng)用效果分析

對小峪煤礦傳統(tǒng)探放水施工主要存在的問題進(jìn)行合理分析，并提出了囊袋式“兩堵一注”封孔工藝，通過實(shí)際應(yīng)用主要取得了以下顯著效果：

1）通過煤屑量法合理確定了鉆孔封孔長度，從而對鉆孔軸向煤體卸壓區(qū)能夠及時進(jìn)行封堵，提高鉆孔封孔質(zhì)量，該方法可應(yīng)用于不同地質(zhì)條件下探水鉆孔施工中。

2）采用囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔技術(shù)大大提高了對鉆孔徑向煤體裂隙帶填堵，2018年1月-7月小峪煤礦共計(jì)施工255個探水鉆孔，共計(jì)放水量為2311.4m3，放水期間未出現(xiàn)一次因鉆孔封孔不牢固發(fā)生透水事故，減少了放水期間出現(xiàn)煤體滲水、孔口管竄動現(xiàn)象。

3）通過對鉆場煤體進(jìn)行注漿加固并架設(shè)“L”型鋼棚進(jìn)行聯(lián)合維護(hù)，提高了孔口附近煤體單軸抗壓強(qiáng)度，注漿后通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤體單軸抗壓強(qiáng)度提高至74MPa,采取聯(lián)合維護(hù)措施后，在后期放水時未出現(xiàn)鉆場煤壁垮落現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

探水鉆孔封孔質(zhì)量直接關(guān)系著探放水施工效果，通過實(shí)際應(yīng)用效果表明，小峪煤礦探水鉆孔通過煤屑量合理確定封孔長度，采用囊袋式“兩堵一注”帶壓注漿封孔技術(shù)以及“注漿+架設(shè)L型鋼棚”聯(lián)合維護(hù)措施后，有效提高了礦井探放水施工效率，避免了放水期間透水事故發(fā)生，為其它煤礦不同地質(zhì)條件下探放水施工提供了有力的實(shí)踐依據(jù)。