煤礦地測(cè)防治水卸壓控水裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊劍萍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 031304)

0 引言

探放水施工是消除采區(qū)水患，保證礦井安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段。目前煤礦施工探水鉆孔進(jìn)行排水，包括短孔超前鉆探(鉆孔<100 m)及深孔定向鉆探，主要對(duì)積水區(qū)按照設(shè)計(jì)施工若干鉆孔，然后在孔口處安裝空口管及控水裝置進(jìn)行放水[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于積水壓力不同，采用傳統(tǒng)控水裝置進(jìn)行放水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致噴孔事故。

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司1209回風(fēng)巷位于井田一采區(qū)。1209回風(fēng)巷東西布置，東為盤(pán)區(qū)大巷，南為實(shí)煤區(qū)，西為1207工作面，北為井田邊界。

1209回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 100 m，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.0 m，工作面所采煤田屬霍西煤田，2#煤層，煤厚2.10～2.40 m,均厚2.30 m，1209回采工作面的水文地質(zhì)條件中等。1209回風(fēng)巷下山掘進(jìn)，標(biāo)高由920 m到750 m。根據(jù)井田專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)勘查報(bào)告可知，1209回風(fēng)順槽北側(cè)49 m處含有兩處小煤窯采空區(qū)，預(yù)計(jì)積水量為5 799 m3，水壓為1.1～1.4 MPa,預(yù)計(jì)本工作面掘進(jìn)期間正常涌水量為9 m3/h，最大涌水量為21 m3/h。

為了保證巷道安全掘進(jìn)，1209回風(fēng)巷施工超前鉆孔對(duì)老窯采空區(qū)進(jìn)行放水，工作面每掘進(jìn)20 m在巷幫布置2個(gè)探水鉆孔，鉆孔深度為60 m，鉆孔施工后安裝空口管及控水裝置進(jìn)行放水。由于傳統(tǒng)控水裝置不具有卸壓功能，所以在積水水壓作用下經(jīng)常出現(xiàn)噴管現(xiàn)象。根據(jù)礦地測(cè)科統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1209回風(fēng)巷在前期共計(jì)施工20個(gè)探水鉆孔，在放水期間有13個(gè)鉆孔出現(xiàn)噴管事故，導(dǎo)致巷道積水量加大，不僅降低了巷道探放水施工效率，還嚴(yán)重威脅著巷道掘進(jìn)安全。對(duì)此，南關(guān)煤礦通過(guò)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一套卸壓控水裝置，并在1209回風(fēng)巷后期掘進(jìn)中進(jìn)行應(yīng)用。

1 卸壓控水裝置的結(jié)構(gòu)

1) 卸壓控水裝置主要由環(huán)形抱箍、控水管、控制閘閥、壓力表接頭、頂絲扳手、控水閥門(mén)、法蘭盤(pán)、鉆頭套管等部分組成，如圖1所示。

2) 鉆頭套管應(yīng)根據(jù)封孔長(zhǎng)度進(jìn)行確定。1209回風(fēng)巷鉆頭套管由PVC材料制成，直徑為130 mm，總長(zhǎng)度為12 m，單管長(zhǎng)度為4 m，共計(jì)三節(jié)，管與管之間采用絲扣式連接[2]，套管外露長(zhǎng)度為1.0 m。

3) 由于鉆孔擴(kuò)孔深度為11 m，鉆孔擴(kuò)孔直徑為150 mm，鉆頭套管與孔壁之間存在間隙。為了保證鉆頭套管與孔壁連接穩(wěn)固，采用ZBQ120型注漿泵向間隙處注入膨脹水泥砂漿進(jìn)行充填。

4) 套管外露端分別安裝壓力表、控制閥閘、控水管、環(huán)形抱箍及控水閥門(mén)等。環(huán)形抱箍為環(huán)形橡膠塑料材質(zhì)，在其上下端分別安裝頂絲扳手，通過(guò)頂絲扳手可實(shí)現(xiàn)抱箍完全固定鉆桿。

5) 壓力表主要是對(duì)鉆孔放出的積水水壓進(jìn)行檢測(cè)；控水閥門(mén)位于控水管下端，當(dāng)水壓較大時(shí)可以人工開(kāi)啟控水閥門(mén)進(jìn)行卸壓；控制閘閥主要對(duì)鉆孔出水時(shí)進(jìn)行臨時(shí)堵水。

1-鉆桿； 2-環(huán)形抱箍； 3-控水管； 4-控制閘閥； 5-壓力表； 6-鉆孔； 7-水泥砂漿； 8-鉆頭； 9-鉆頭套管； 10-法蘭盤(pán)； 11-控水閥門(mén)； 12-頂絲扳手。圖1 煤礦防治水卸壓控水裝置結(jié)構(gòu)

2 卸壓控水裝置的工作原理

1) 當(dāng)鉆孔施工深度達(dá)11 m后，鉆孔停止施工，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝鉆頭套管，相鄰套管間采用絲扣式連接。鉆頭套管安裝到位后，采用ZBQ120型注漿泵向套管與孔壁的間隙高壓填充膨脹水泥進(jìn)行封孔處理[3]，封孔后套管穩(wěn)固時(shí)間不得低于2 h。

2) 鉆頭套管安裝穩(wěn)固后，在外露端依次安裝控水裝置的其他配件。待全部安裝完畢后，鉆孔繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)鉆孔施工至積水區(qū)時(shí)水壓小于0.5 MPa時(shí)，直接拔出鉆桿，通過(guò)閘閥控制放水流量，進(jìn)行放水施工。

3) 當(dāng)水壓大于0.5 MPa時(shí)，為了防止水壓大導(dǎo)致鉆頭套管出現(xiàn)噴管現(xiàn)象，鉆孔出現(xiàn)流水時(shí)禁止拔出鉆頭，人工擰緊頂絲扳手使橡膠環(huán)形抱箍緊緊抱住鉆桿，從而有效防止在水壓作用下出現(xiàn)鉆桿射出。鉆桿固定后，及時(shí)打開(kāi)控水閥門(mén)進(jìn)行卸壓放水。在卸壓放水時(shí)，應(yīng)通過(guò)閘閥控制放水流量，防止水壓大使控水閥門(mén)失靈。

4) 當(dāng)放水卸壓且壓力低于0.5 MPa后，及時(shí)關(guān)閉控水閥門(mén)，人工反方向擰開(kāi)頂絲扳手，使環(huán)形抱箍與鉆桿脫離，然后拔出鉆桿進(jìn)行鉆孔放水。

3 卸壓控水裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 裝置優(yōu)點(diǎn)

1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于人員操作，裝置故障率低，整套裝置的成本費(fèi)用僅需0.24萬(wàn)元，成本費(fèi)用較低[4]。

2) 安全性能好。與傳統(tǒng)控水裝置相比，該裝置實(shí)現(xiàn)了卸壓功能，可根據(jù)水壓大小實(shí)時(shí)對(duì)積水進(jìn)行放水卸壓，有效防止了因水壓大在放水時(shí)導(dǎo)致套管脫落、噴管、鉆桿射出等事故，安全性能好，可保障巷道安全放水施工。

3) 實(shí)用性強(qiáng)。該裝置可用于不同復(fù)雜地質(zhì)條件下探水鉆孔內(nèi)，不受地質(zhì)條件及施工環(huán)境影響，而且還可以用于其他領(lǐng)域中(如隧道、地鐵施工等)，實(shí)用性強(qiáng)，適用區(qū)域廣。

3.2 裝置缺點(diǎn)

1) 由于在鉆孔施工時(shí)粉塵濃度大，且壓力表密封差，導(dǎo)致壓力表內(nèi)附著粉塵較大，從而影響了壓力表精度，需定期更換。

2) 環(huán)形抱箍橡膠材料具有一定的彈性，長(zhǎng)期張緊使用使材料彈性降低，需定期更換。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

南關(guān)煤礦1209回風(fēng)巷掘進(jìn)至300 m處，在探放水施工時(shí)，對(duì)探水鉆孔安裝了卸壓控水裝置。截至2019年2月，1209回風(fēng)巷已掘進(jìn)完成，在后期掘進(jìn)期間共計(jì)施工80個(gè)鉆孔，其中64個(gè)為濕孔，16個(gè)為干孔，共計(jì)放水量為4 981 m3，平均水壓為1.2 MPa。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，采用卸壓控水裝置后，在放水過(guò)程中未發(fā)生一起因水壓大導(dǎo)致套管竄動(dòng)、噴管及透水等事故[5]。該裝置可承受最大水壓為2.5 MPa，有效保證了巷道放水施工安全，預(yù)計(jì)全年可為煤礦節(jié)約成本費(fèi)用約72.4萬(wàn)元。

5 結(jié)論

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司通過(guò)技術(shù)研究，對(duì)采掘工作面原探放水控水裝置主要存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一套卸壓控水裝置。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，放水效果好，解決了傳統(tǒng)控水裝置無(wú)法卸壓等技術(shù)難題，保證了鉆孔安全高效放水，取得了顯著的安全、經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣意義。