礦井老空積水防治技術(shù)的綜合應(yīng)用

趙亞鑫

(同煤集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司地測(cè)科，山西 大同 037024)

引 言

同煤某礦目前開(kāi)采的11#煤層424盤(pán)區(qū)，其22406巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 230 m，每天的涌水量為6 000 m3～7 000 m3，距下層巷道的平均間距為65.7 m，在開(kāi)采過(guò)程中頂板巖層出現(xiàn)移動(dòng)，接觸到一些含水層，含水層周圍的巖體也在開(kāi)采過(guò)程中受到破壞，不能承受含水層的靜態(tài)壓力，導(dǎo)致地下水沿頂板的裂隙進(jìn)入老空巷道，形成老空積水[1]。為了對(duì)老空巷道的積水進(jìn)行處理，根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)條件，提出精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)方案，極大地提升了開(kāi)采的安全性。

1 老空積水危害分析

22406巷道在開(kāi)采過(guò)程中的涌水量較大，開(kāi)采的時(shí)間也較長(zhǎng)，在上層可能存在老空積水，根據(jù)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度計(jì)算見(jiàn)公式[2](1)。

H=(100∑M/1.2∑M+2.0)+8.9

(1)

其中，H為導(dǎo)水裂隙帶的高度，m；M為煤層的厚度，m。

22406煤層厚度為6.45 m，計(jì)算出導(dǎo)水裂隙帶的高度為75.12 m，可見(jiàn)其裂隙帶的發(fā)育高度大于與下層的平均間距，會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行工作面回采后，裂隙帶發(fā)育到老空區(qū)，出現(xiàn)老空積水現(xiàn)象，影響對(duì)工作面的安全開(kāi)采。

2 長(zhǎng)鉆孔技術(shù)方案

精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)是在隨鉆測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)跟蹤測(cè)量和控制實(shí)際鉆孔的軌跡，對(duì)老空積水區(qū)進(jìn)行探放，以減少水害事故的發(fā)生。如果礦井老空區(qū)的位置確定，則可以確定長(zhǎng)鉆孔中靶目標(biāo)區(qū)域，如果礦井老空區(qū)的位置不能確定，則需要對(duì)老空區(qū)進(jìn)行超前鉆孔探查，便于排出老空區(qū)的積水，同時(shí)通過(guò)施工分支孔，提高積水的排放能力。精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)探放水的原理如圖1所示。

圖1 精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)原理圖

精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)主要采用隨鉆測(cè)量的定向鉆來(lái)進(jìn)行，其機(jī)身有很大的調(diào)角范圍，通過(guò)控制孔底鉆具的鉆進(jìn)方位和傾角，使其按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)[3]。在實(shí)際鉆進(jìn)施工過(guò)程中，受煤層厚度、巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造、鉆進(jìn)參數(shù)等影響，使得實(shí)際的鉆孔軌跡發(fā)生變化，因而使用隨鉆測(cè)量?jī)x器對(duì)實(shí)際鉆進(jìn)方位和傾角等參數(shù)和軌跡信息進(jìn)行顯示，以及時(shí)調(diào)整鉆具的參數(shù)，確保按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。

3 鉆孔關(guān)鍵工藝

由于老空區(qū)積水的水壓不是很高，因此對(duì)老空積水鉆孔探測(cè)主要從套管孔段、定向造斜孔段、定向穩(wěn)斜孔段三部分來(lái)進(jìn)行，老空積水探測(cè)的鉆孔成孔工藝流程如第163頁(yè)圖2所示。

3.1 套管孔段設(shè)計(jì)

精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)在鉆進(jìn)過(guò)程中采用的是清水，因而在不穩(wěn)定的層段進(jìn)行套管封閉，且套管孔的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)是根據(jù)老空積水水量以及地下水壓的大小來(lái)確定，一般在30m，為了確保順利鉆進(jìn)，套管選用Φ127 mm的最小規(guī)格，鉆頭根據(jù)套管大小來(lái)定，在實(shí)際應(yīng)用中，鉆頭的規(guī)格一般略大于套管規(guī)格，開(kāi)孔的方位和傾角與設(shè)定值保持一致，且不超出允許的最大值，在進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，采用大直徑的螺旋鉆桿來(lái)進(jìn)行，為了得到光滑的鉆孔軌跡，在套管下入前，先用掃孔鉆具進(jìn)行掃孔，在套管下入時(shí)，為確保套管一直處于中間位置，每隔一定的距離設(shè)置扶正器，在套管孔口處固定特殊的卡夾裝置，用鉆機(jī)頂住，同時(shí)在孔口上方用鋼絲繩固定錨桿，確保注漿時(shí)的安全，在施工完成后，使用測(cè)量?jī)x器對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行測(cè)量，為定向造斜孔的鉆具選擇提供依據(jù)。

圖2 老空積水探測(cè)的鉆孔成孔工藝流程圖

3.2 造斜孔段設(shè)計(jì)

根據(jù)地層變化狀況設(shè)計(jì)定向造斜孔，選用Φ96 mm的鉆孔直徑，根據(jù)螺桿鉆具的造斜能力以及通纜鉆桿的彎曲強(qiáng)度，設(shè)計(jì)造斜的合理方位和傾角，以盡快調(diào)整鉆孔的軌跡，如，1.25°的螺桿鉆具，用來(lái)進(jìn)行穩(wěn)斜鉆孔，設(shè)計(jì)的造斜強(qiáng)度一般為(1°～1.2°)/3 m，1.5°的螺桿鉆具，用來(lái)進(jìn)行強(qiáng)造斜鉆孔和分支孔，設(shè)計(jì)的造斜強(qiáng)度一般為(1°～2°)/3 m[4]。如果要使鉆進(jìn)的速度加快，可以選用大扭矩的四級(jí)螺桿鉆具來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以適當(dāng)增大鉆孔和巖層的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照高于預(yù)測(cè)值10%～20%的造斜效率選擇螺桿鉆具，按照80%～90%的造斜能力設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，且在造斜鉆進(jìn)時(shí)，盡可能地及早扭方位，以控制鉆孔的間距，保證順利中靶，在鉆進(jìn)過(guò)程中，要先設(shè)計(jì)較高的造斜率，再逐漸減小，確保鉆具平穩(wěn)地進(jìn)入穩(wěn)斜孔。

3.3 穩(wěn)斜孔段設(shè)計(jì)

在順利通過(guò)造斜孔段后，鉆孔進(jìn)入到定向穩(wěn)斜孔階段，采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工，鉆孔的直徑仍然選用Φ96 mm，通過(guò)固定定向孔的方位和傾角，在出現(xiàn)偏差時(shí)在鉆孔的上下以及左右位移的合理值內(nèi)進(jìn)行小范圍的調(diào)整，在巖層的硬度很高時(shí)，施工分支孔來(lái)促進(jìn)積水的排放，通過(guò)在分支點(diǎn)重復(fù)地使用低速磨削分支法來(lái)提高分支施孔的成功率，同時(shí)為了提高孔壁的質(zhì)量，在每鉆進(jìn)一段距離后，要進(jìn)行一次短程起下鉆。

4 應(yīng)用分析

同煤某礦22406巷道煤層厚度為6.45 m，隔水層厚度在24 m～27 m，水壓為4.8 MPa～5.4 MPa，對(duì)大斗溝煤礦老空區(qū)積水進(jìn)行探測(cè)，一共施工7個(gè)鉆孔，其中5個(gè)主孔，2個(gè)分支孔，總進(jìn)尺達(dá)3 306 m，長(zhǎng)鉆孔的實(shí)際參數(shù)如表1所示，在實(shí)際的鉆孔施工中，每鉆進(jìn)6 m進(jìn)行一次鉆孔軌跡測(cè)量，并根據(jù)偏差對(duì)鉆具的方位和傾角及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保實(shí)際軌跡與設(shè)定的軌跡偏差最小，在終孔后得到實(shí)際鉆孔的軌跡如圖3所示。

表1 實(shí)際鉆孔參數(shù)表

圖3 實(shí)際鉆孔軌跡圖

在現(xiàn)場(chǎng)的施工過(guò)程中，每個(gè)鉆孔都鉆進(jìn)了目標(biāo)靶點(diǎn)，從圖3中可以看出，鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)定的軌跡偏差較小。從表1可以看出，鉆孔的最大出水量高達(dá)5.1 m3/h，主孔的孔深最高達(dá)432 m，在采用精確長(zhǎng)鉆孔對(duì)老空區(qū)的積水進(jìn)行排放后，在后期的回采過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)老空區(qū)積水現(xiàn)象，保障了開(kāi)采的安全進(jìn)行。

5 結(jié)論

針對(duì)同煤某礦22406巷道長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)采后在老空區(qū)形成積水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響下層工作面的安全回采，根據(jù)煤礦巷道的地質(zhì)特性，提出采用精確的長(zhǎng)鉆孔技術(shù)方案，對(duì)老空區(qū)積水進(jìn)行探測(cè)，應(yīng)用結(jié)果表明：

1) 根據(jù)頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度可知，在22406巷道上存在大量的老空區(qū)積水，影響正常回采的安全性。

2) 通過(guò)對(duì)精確長(zhǎng)鉆孔技術(shù)方案的分析，確定套管孔段、造斜孔段以及穩(wěn)斜孔段的鉆孔關(guān)鍵工藝技術(shù)并在大斗溝礦上進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，可以看出，鉆孔的實(shí)際軌跡與設(shè)定的軌跡偏差很小，且主孔的孔深高達(dá)432m，最大出水量高達(dá)5.1 m3/h。

3) 設(shè)計(jì)的精確長(zhǎng)鉆孔方案能滿足對(duì)老空區(qū)積水排放的要求，且積水排放效果明顯。