仰上鉆孔探放頂板砂巖水在3上502 工作面防治水中應用

張洪強 崔 巖 劉恒明

（棗莊礦業(yè)集團高莊煤業(yè)有限公司，山東 微山 277605）

1 工作面概況

3上502 工作面為高煤公司首個提高開采上限工作面，開采山西組第3上煤層，淺部靠近煤層露頭保護煤柱，深部為3上504 采空區(qū)。工作面總體為一單斜構造，煤巖層產狀穩(wěn)定，傾角10°～30°，平均19°。根據16-31、17-36、2003-1、2015-4、2015-5 鉆孔資料，3上煤層上部基巖依次為山西組砂巖、第四系松散層，基巖厚度兩端小中間大，厚度35～118.4m，平均76.7m，巖性以中、細粒砂巖為主，有時為粉砂巖、砂質泥巖，泥、鈣質膠結，裂隙稍發(fā)育，富水性中等強度。根據工作面涌水量預計，正常涌水量30m3/h，最大涌水量252m3/h。預計頂板水涌水量大，突水可能性大，對工作面開采構成威脅。

2 工作面富水情況

根據工作面瞬變電磁物探情況，材料巷4#～5#導線點、5#點前72m～7#導線點、9#～15#導線點存在頂板富水異常區(qū)，視電阻率3～5。尤其是9#～15#頂板富水異常區(qū)面積大，與揭露構造、現場淋水位置相吻合。見圖1、圖2。

圖1 材料巷頂板探測結果

圖2 材料巷頂板探測結果

3 探放水方案

為消除威脅，確保工作面開采不受突水影響，采用施工仰上鉆孔，一方面在工作面兩巷選擇合適位置對頂板砂巖水進行探放，探測頂板富水情況和第四系底部含水層巖性和富水特征，另一方面利用仰上孔對頂板砂巖水進行疏放，超前疏解頂板砂巖水威脅。

4 鉆孔設計及鉆機選型

（1）鉆場布置、鉆孔設計

根據探放水原則和“探放水地點要盡量接近富水性較強的頂板砂巖，并且便于施工”的原則，此次探放水在材料巷布置五個鉆場：① 5#點后5.2m處為1#鉆場；② 6#點前16.7m 處為2#鉆場；③ 11#點后20.5m 處為3#鉆場；④ 13#點處為4#鉆場；⑤ 20#點后55m 處為5#鉆場。每個鉆場布置1 個鉆孔，均為斜上孔，鉆孔參數見表1。

表1 鉆孔具體參數

鉆孔深度以進入第四系垂直厚度10m 為準。5個鉆孔結構、設計參數類似，用一個圖代替說明，見圖3。

圖3 鉆孔剖面

施工順序：本次鉆探施工順序按5#、4#、3#、2#、1#鉆孔依次施工。單孔工藝流程為：擺鉆→固定鉆機→開孔→下套管→注漿→掃孔→打壓試驗→變換鉆頭鉆進至終孔→封孔。封孔要求：全孔封閉，材料用水泥或水泥-水玻璃雙液漿。

（2）鉆機設備

本次打鉆采用煤科院西安分院生產的ZDY1900S 型 鉆 機； 鉆 進 深 度300m， 輸 出 扭矩1900N.m，輸出轉速85～300r/min，鉆桿直徑73/63.5mm，最大起拔力77kN，給進力112kN，功率37kW，能夠滿足鉆探要求。

（3）止水套管

五個鉆場最低底板標高-134.0m，第四系水位標高+31.6m。取鉆孔出水最大水壓為1.65MPa。根據《煤礦防治水細則》第48 條 “巖層中探水鉆孔超前鉆距和止水套管長度”的規(guī)定，5 個鉆孔的止水套管長度分別取12m。

（4）鉆孔結構

根據鉆機性能和鉆探目的確定鉆孔結構為：鉆孔開孔孔徑為Φ127mm，鉆進13m，下108mm 套管12m 后，變孔徑為Φ75mm 鉆進至終孔。

5 施工安全措施

（1）鉆機隊根據探放水設計編制施工安全技術措施，同本設計一并傳達、學習，每名鉆探工必須經考試合格，持證上崗作業(yè)。

（2）開鉆前由地測科測量人員對設計鉆孔角度放線，確保準確鉆進至設計位置。

（3）施工過程中要做到記錄清楚，孔深丈量準確，堅持每日上報地測科。

（4）鉆桿后面和機頭附近嚴禁站人。套管外壁要焊上鋼筋，防止水壓過大套管崩出。打壓實驗壓力要達到2.5MPa，時間要持續(xù)0.5h 以上。

（5）由設計室設計水倉尺寸，區(qū)隊按設計在鉆場內施工水倉，并形成兩臺排量30m3/h 泵及配套4 寸排水管。

（6）施工前必須設置鉆場與調度室的直通電話，以便發(fā)現問題及時向調度室匯報。

（7）打鉆過程中要密切注意觀察鉆場附近巷道的變化情況，如果鉆進時發(fā)現煤巖層變軟、片幫來壓或鉆孔水壓、水量突然增大以及有頂鉆異常時，必須停止打鉆，但不得拔出鉆桿，現場負責人要立即報告礦調度，及時采取措施進行處理。同時要通知受水害威脅地點人員撤至安全地點。

（8）在鉆進中，嚴格執(zhí)行“三看”、“二聽”、“一及時”，仔細判斷孔內情況。“三看”即看給進壓力和進尺速度，看泵壓表和孔口上返水情況，看水接頭情況；“二聽”即聽機器運轉聲音，聽孔內震動聲；“一及時”即發(fā)現異狀及時處理。

（9）調度室及施工區(qū)隊要確保撤人報警系統(tǒng)安全可靠，一旦遇有特殊情況能及時撤離現場人員。

6 探放水工程量、效果分析

6.1 探放水工程量

在3上502 工作面材料巷共施工5 個頂板基巖厚度探測孔兼探放水鉆孔，總進尺391m。探測切眼附近基巖最薄，為45.2m，總體粘土層厚約1m，粘土層厚度較薄。1#孔涌水量18.3m3/h，2#孔涌水量2.3m3/h、3#孔涌水量3m3/h，切眼附近4#鉆孔和5#鉆孔不出水。鉆探出水均在鉆孔進尺約30m 左右，特別是1#孔，以傾角60°施工該頂板孔，當進尺達23m 時鉆孔出水達18.3m3/h，停止鉆進放水，疏放兩天以后出水未明顯減小，繼續(xù)鉆進至83m，探測到第四底界砂層，水量未增大。出水原因：靠近砂巖層露頭，且工作面南約100m 粘土層缺失，砂巖層水量補給豐富，是出水的主要原因。其中對3#孔出水進行水質化驗，氨離子和硝酸根離子含量較低，分析水源為頂板砂巖水。歷經3 個多月疏放，1#、2#、3#鉆孔出水分別減小至4m3/h、0.5m3/h、1m3/h，累計放出水量20064m3。至3上502 工作面回采結束時上述鉆孔已全部推過處于采空區(qū)內，由采空區(qū)流出動水穩(wěn)定在5m3/h 左右。施工仰上鉆孔較好地實現了疏放砂巖含水層裂隙水的目的，為降低工作面突然涌水量做了長足準備。

6.2 效果分析

工作面下運且無泄水巷，造成工作面抗突水能力極差，一旦工作面突水，就會給工作面生產安全帶來嚴重影響。3上502 工作面在物探富水區(qū)和現場淋水點調查基礎上，采用仰上鉆孔成功疏放頂板含水層水，改變以往依靠工作面回采期間基本頂自然垮落疏放頂板水的單一治理模式，超前工作面精準疏放上部含水層水，有效降低了頂板含水層水壓，在消減工作面回采期間頂板突水量、突水強度和突水峰值方面發(fā)揮了重大作用，具有極大的應用和推廣價值。