大埋深底分層工作面應(yīng)力集中區(qū)域防治水技術(shù)可行性研究與應(yīng)用

王超 王志遠 梁化磊

一、礦井概況

焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司趙固二礦井田位于焦作煤田東部，太行山南麓，行政隸屬新鄉(xiāng)市所轄輝縣市，其地理坐標為東經(jīng)1133740″～1134800″～，北緯352200″～352630″。

二、12012工作面概況

12012工作面位于二盤區(qū)北部，設(shè)計標高-556～-580m，為已回采結(jié)束的12011工作面底分層。西鄰二盤區(qū)大巷煤柱，東側(cè)及北側(cè)為F30斷層防隔水煤柱，南鄰12021工作面采空區(qū)。煤層傾向202～270°，傾角3.0～5.5°～根據(jù)12011工作面煤厚資料分析，底分層煤層厚0.6～3.3m，平均厚2.49m;全煤段煤厚5.8～6.1m，平均厚6.0m。

三、底板加固效果驗證方案

12011工作面回采前已對底板進行注漿加固及改造，加固深度為煤層底板下85m，共完成鉆孔110個，進尺18093m，總出水量5253m/h，總注漿量13808.4t。經(jīng)回采驗證，工作面未出現(xiàn)突水現(xiàn)象，說明煤層底板下85m隔水層厚度能夠承受深部灰?guī)r含水層水頭值?？紤]工作面回采后底板破壞深度，為保證安全，所以本次設(shè)計鉆孔深度為煤層底板下垂距92m。

四、研究背景

趙固二礦12012工作面驗證鉆孔普遍設(shè)計為二級套管，設(shè)計要求一級套管直徑為127mm，下至二1煤層底板垂距7m，二級套管直徑為108mm，下至L9灰?guī)r底板下垂距5m。穿巷道鉆孔設(shè)計為三級套管，一級套管直徑為146mm，二級套管直徑為127mm，三級套管直徑為108mm。設(shè)計的第三級套管原則上必須下過L8灰?guī)r。

（一）穿巷鉆孔施工中出現(xiàn)的異常情況

1.上2-5鉆孔，為穿巷道鉆孔，朝向12021工作面采空區(qū)施工，鉆孔終孔驗收水量為2.6m/h，注漿量達到695.79t，注漿時長為12天。

2.上3-1鉆孔，為穿巷道鉆孔，2019年8月31日在孔深101m出水35.7m/h，開始地面注漿，至9月3日地面泵量達到3檔，井下注漿壓力達到10.5MPa時，切眼通尺40m處出現(xiàn)頂板下沉、底板鼓起的異常情況。9月7日，透孔后，在套管內(nèi)30m處，套管外61m、80m處，分析對鉆孔做耐壓試壓，試壓壓力均達到15MPa，套管的下設(shè)和耐壓均符合設(shè)計要求。

3.上3-11檢鉆孔，為切眼外側(cè)鉆孔，設(shè)計為二級套管，切眼擴刷之后，鉆孔斜穿切眼巷道。2019年11月25日在孔深104.5m出水14m/h，開始地面注漿，26日注漿結(jié)束。11月27日零點班開始透孔，四點班透孔至70m，準備下設(shè)三級套管，增強鉆孔抗壓強度。在起鉆時，孔深11m處出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，重新下鉆順孔，在孔深9m處套管縮徑變形，Φ94mm鉆頭過不去，因變形深度較淺，區(qū)隊計劃立即報廢封堵該孔。28日零點班，地測科對該孔測斜，檢驗下設(shè)套管長度，測斜儀前端安裝Φ75mm鉆頭，測斜39m后起鉆，向孔內(nèi)下入Φ50mm抽采管21m就下不動，因抽采管下設(shè)深度淺，隨即將抽采管起出，重新下Φ75mm鉆頭透孔，但此時75mm鉆頭也無法穿過9m變形處，起鉆再次下抽采管，只能下設(shè)到孔深10m位置。目前，該孔已報廢封孔。

4.下1-5鉆孔，為穿巷道鉆孔，穿過12012工作面下順槽和12011工作面上順槽老巷。該孔在下設(shè)二級套管之后、鉆進三級套管的過程中，先后2次出水達到3m/b，均采用了井下注漿的方式堵水，注漿壓力均達到15MPa。2019年11月22日鉆進至53.7m，達到下設(shè)三級套管位置時，出水7.3m/h，因水量較大，與地測科商議后，于23日開始地面注純水泥漿，地面泵量為3檔，井下注漿壓力為4.5MPa。11月27日四點班，該孔注漿量達到171.92t，泵量、注漿壓力不變，但在鉆場以里、距孔口21.5m處巷道下幫底部的一個錨索出現(xiàn)漏漿（錨索距底板0.5m），停止注漿后，漏漿消失。28日透孔時，孔深13m、18m處分別出現(xiàn)套管變形，無法下設(shè)三級套管。目前，該孔已報廢封孔。

（二）異常情況原因分析

以上4起異常情況，均為穿巷道鉆孔發(fā)生。其中，3起涉及到套管問題，2起發(fā)生套管變形、造成事故，且這2起事故鉆孔均是在巷道掘進、擴刷之后不久施工（應(yīng)力集中區(qū)域），事故發(fā)生位置均在下設(shè)二級套管之后，未下設(shè)三級套管。通過鉆孔測斜判斷，套管下設(shè)長度符合設(shè)計要求;而從之前的鉆孔注漿情況來看，套管耐壓也符合要求。此外，鄰近的12021工作面的采后底板破壞深度來為33.1m（實驗計算所得），其位置處于L8灰?guī)r內(nèi)，而12012工作面鉆孔的二級套管設(shè)計長度為L9灰?guī)r底板下垂距5m，距離L8灰?guī)r頂仍有5～6m。

綜合以上情況，可以得出：12012工作面底板破碎深度已達到L8灰?guī)r位置，尤其是巷道下方，應(yīng)力集中、圍巖松散、不穩(wěn)定，巷道斷面越大，底板破壞越嚴重，對穿巷道鉆孔的破壞也越大，且破壞速度極快。

五、實施內(nèi)容

為解決應(yīng)力集中區(qū)域穿巷鉆孔套管變形問題，我隊積極采取措施，組織技術(shù)、施工人員進行商討，優(yōu)化施工方案，最終將12012工作面上3-11檢、3-12檢、3-13檢施工完成。

六、創(chuàng)新點

1.在應(yīng)力集中區(qū)域施工穿巷鉆孔時，調(diào)整施工順序，待工作面切眼巷道擴刷底板穩(wěn)定后進行施工，避免應(yīng)力集中導致套管變形;

2.參考底板破壞深度，優(yōu)化套管設(shè)計，將套管盡可能下過含水層（L8灰?guī)r），避免鉆孔遭到破壞后，形成人為導水通道，將底板深部承壓水引入工作面;

3.在應(yīng)力集中區(qū)域施工時，采用逐級下設(shè)套管的辦法，搶時間、迅速穿過破碎帶。但固管、耐壓等標準需要適當降低，因破碎帶裂隙發(fā)育，竄漿嚴重，吃漿量大，固管、試壓不易上壓，反復注漿、試壓耽誤時間，且擾動圍巖。但一定保證最后一級套管的耐壓強度;

4.健全能夠快速反應(yīng)的事故處理機制，發(fā)現(xiàn)事故苗頭，能夠快速反應(yīng)，作出處理，遏制事故擴大。

七、適用范圍和條件

該施工技術(shù)方案在我礦12012工作面上順槽3號鉆場施工試驗成功，有效的將鉆孔成孔，確保工作面安裝、回采，該種施工方案不但可以用于應(yīng)力集中區(qū)域工作面切眼，還可延伸至巷道中所有穿巷鉆孔，看似平常的優(yōu)化方案，效果卻異常有效。

作者簡介：王超（1985-），男，漢族，河南焦作人，地質(zhì)勘探工程師。