定向鉆機遠距離集中探放近間距老空水的應(yīng)用

張富強

(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

防治水是治理煤礦水害隱患的一項重要工作，其中探放水是水害防治工作的一項重要措施，探放水工作開展的效果直接關(guān)系到礦井生產(chǎn)的安全和銜接計劃的實施。西銘礦9號煤層與8號煤層平均間距2.4 m，屬近間距煤層，在9號煤層掘進期間，需要對上覆8號煤層采空區(qū)積水進行探放。由于9號煤層與上部采空區(qū)間距較小，采取在掘進工作面進行探放水的方法容易出現(xiàn)探放水鉆孔距離短、探放水循環(huán)次數(shù)多、工作面淋頭水大、施工鉆孔困難等情況，最終影響掘進施工，造成銜接緊張，增加了施工成本，存在安全隱患。因此以往采用的探放水手段已經(jīng)不能滿足煤礦目前安全高效開采的需要，亟需要采用安全、高效、便捷、低耗的探放水手段[1]。21世紀(jì)初，我國部分礦井最初引進澳大利亞隨鉆測量定向鉆進裝備，并將其應(yīng)用到瓦斯抽采鉆孔的施工當(dāng)中。由于定向鉆機具有鉆孔軌跡控制精確、施工速度快、自動化程度高等一系列優(yōu)點，進而又被逐漸應(yīng)用于煤礦防治水工作當(dāng)中。2010年以來，我國各大煤機制造研究單位已經(jīng)能夠自主設(shè)計制造定向鉆機及其相應(yīng)裝備，紅柳煤礦、韓咀煤礦、黃白茨煤礦等國內(nèi)一大批煤炭企業(yè)已將定向鉆機應(yīng)用于礦井防治水工作當(dāng)中[2]。

在西銘礦8號煤層采空區(qū)積水周邊巷道內(nèi)，本文利用定向鉆機遠距離向采空區(qū)最低點施工探放水鉆孔進行探放水，共疏排水約75 000 m3，巷道內(nèi)鉆孔孔口再無淋水現(xiàn)象，取得了良好的應(yīng)用效果，解決了近間距煤層探放水的難題，豐富了探放水的方法和手段。

1 49403掘進工作面概況

1.1 工作面井下位置及四鄰關(guān)系

49403工作面井下位于南四采區(qū)右翼，東鄰北五左翼軌道巷及南四軌道巷，南鄰49405回采工作面，北鄰304大尾巷，西鄰南四大尾巷。上覆為8號煤層48403工作面采空區(qū)，8號與9號煤層間距平均2.40 m。工作面設(shè)計走向長度1 885 m，傾向長度184 m/117 m。工作面軌道巷、膠帶巷設(shè)計為梯形斷面，工字鋼架棚支護；切眼為矩形巷道，圓木單體支柱支護。

1.2 地質(zhì)情況

探放水孔施工區(qū)域9號煤層厚度為2.3～3.2 m，質(zhì)軟。所穿9號煤層偽頂為頁巖，黑色，層理、節(jié)理發(fā)育，破碎易垮落；直接頂為細粒砂巖，質(zhì)硬，灰白色-深灰色，水平層理，含黃鐵礦，頂部有薄層頁巖或砂質(zhì)頁巖。局部地段底部相變?yōu)樯百|(zhì)頁巖。

據(jù)上覆8號煤回采資料推測，工作面軌道巷掘進期間將遇3條落差0.2～0.3 m正斷層，掘進期間可能揭露X9857陷落柱；膠帶巷掘進期間將遇f9520、f9527(逆斷層)、f9528、F4、F5、F6等6條斷層，落差0.2～1.2 m，掘進期間將揭露X9582、X9588陷落柱，對掘進施工有一定影響。

1.3 采空區(qū)積水情況

49403工作面周邊老空區(qū)積水情況見表1。

表1 49403工作面周邊老空區(qū)積水情況

采空區(qū)積水主要來自地表大氣降水和太原組含水層的水，通過采動裂隙進入采空區(qū)。9號煤層與8號煤層屬近距離開采煤層，8號煤層采空區(qū)積水對9號煤層掘進影響較大。

2 探放水方案選擇

以往西銘礦9號煤層探放水一直采用在掘進頭超前探放的辦法，由于9號煤層工作面與上部采空區(qū)層間距較小，屬近距離探放水，從探放水實際工作效果來看，近距離煤層探放水往往存在當(dāng)鉆孔設(shè)計傾角較小，鉆孔向下飄鉆，無法打透采空區(qū)的情況，以及當(dāng)局部煤巖層下山傾角大或設(shè)計鉆孔傾角較大時，鉆孔不出水或者出水極少，放水效果不佳的情況。由于48403采空區(qū)尾巷成巷時間久，封閉年久失修，若通過打開密閉進入48403采空區(qū)尾巷進行排水、放水，巷道維護非常困難；同時尾巷內(nèi)與采空區(qū)多處溝通，瓦斯涌出量大，不能形成獨立通風(fēng)系統(tǒng)，有較大的安全隱患。

通過應(yīng)用千米定向鉆機進行遠距離探放水，相較于以往在巷道迎頭超前探放水，工程量小，效率高，縮短了探放水時間，但是也存在鉆孔距離遠，施工鉆孔難度大，放水孔易堵塞，后期不易疏通等情況。

3 探放水方案設(shè)計

49403工作面上覆8號煤層48403工作面采空區(qū)內(nèi)有積水，對49403工作面掘進施工造成了水害隱患，為解除隱患，保證施工安全，需進行超前探放水。在主運輸膠帶巷與48708膠帶巷聯(lián)絡(luò)巷貫通位置設(shè)置鉆場，使用VLD-1000型千米鉆機進行遠距離探放水，共布置3個探放水鉆孔，鉆孔最終通過打透南四大尾巷以及48403采空區(qū)后進行放水。

3.1 鉆場及鉆孔設(shè)計參數(shù)

根據(jù)鉆探區(qū)域巷道條件及采空積水賦存情況，在主運輸膠帶巷與48708膠帶巷聯(lián)絡(luò)巷貫通位置(測B34號點前22 m)設(shè)置鉆場，使用VLD-1000型千米鉆機進行遠距離探放水，共設(shè)計施工3個探放水鉆孔，其中2個放水孔終孔打透48403尾巷，1個放水孔從48403尾巷下部穿過終孔打透48403采空區(qū)，鉆孔出水經(jīng)自壓經(jīng)過主運輸膠帶巷排至1018大巷水溝自流出井。探放水鉆孔設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 49403工作面探放水鉆孔設(shè)計參數(shù)

鉆孔具體布置見圖1。

圖1 探放水鉆孔布置示意

3.2 鉆孔施工順序、固管材料和工藝

開鉆前，加強鉆場附近的支護，確保無片幫、頂板離層掉渣等現(xiàn)象，水泵熱備，由K1至K3依次施工，間距為6 m?？卓诠芄軓饺110 mm無縫鋼管，根據(jù)《煤礦防治水細則》要求，此次探放水各放水孔最大水頭值均小于1.0 MPa，故孔口管長度取用10.3 m?？卓诠懿捎盟酀{固定在孔內(nèi)，在距孔口管0.2～0.5 m兩側(cè)各打1根錨桿，用錨鏈將孔口管(帶閘閥)與錨桿固定。保證固管時間不少于48 h，并做至少0.5 h的耐壓試驗，水壓為最大水頭值的2.5～3.0倍，當(dāng)套管不漏水時，方可進行鉆探施工。孔口設(shè)計見圖2。

圖2 孔口設(shè)計示意

3.3 鉆機型號及主要參數(shù)

考慮到鉆孔傾角、方位、深度及探放水難易程度等情況，本次鉆探作業(yè)鉆機選用澳鉆VLD-1000型鉆機，其主要參數(shù)見表3。

表3 VLD-1000型鉆機主要參數(shù)

3.4 鉆孔涌水量及排水系統(tǒng)

1) 鉆孔涌水量計算。單孔出水量估算公式：

(1)

式中：c為流量系數(shù)，取0.6；w為鉆孔的斷面積，m2，直徑取96 mm；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為鉆孔出口處的水頭高度，取18 m；h為最大水頭高度的40%～45%，取40%.

代入各項參數(shù)計算得出單孔平均涌水量為50.8 m3/h。

2) 放水時間計算。

3) 排水系統(tǒng)。排水管徑計算：

(2)

式中：QB為水泵的流量，取平均涌水量50 m3/h；Vp為排水管的經(jīng)濟流速(范圍為1.5～2.0 m/s)，取2.0 m/s。代入各項參數(shù)計算得排水管徑為94 mm。

根據(jù)單孔最大涌水量，探水前需在探放水現(xiàn)場掘臨時水倉，其尺寸為2 m×2 m×1.5 m(長×寬×高)，并配置2臺4DA-8×9型離心泵(Q=54 m3/h，揚程144 m)，在放水點經(jīng)主運輸膠帶巷排至1018水溝。

排水路線：探放水現(xiàn)場(標(biāo)高+1 048 m)—主運輸膠帶巷(標(biāo)高+1 052 m)—1018大巷(標(biāo)高+1 049 m)—井外。

4) 放水時間計劃。根據(jù)49403軌道巷生產(chǎn)銜接計劃，預(yù)計2020年2月28日掘進至積水線位置；如果以排水量50 m3/h計算，放水時間約40 d，考慮到鉆場施工、鉆機就位及鉆孔施工的時間約15 d，因此理論開始放水時間為2020年1月5日，因該探放水方案為首次使用，且鉆孔距離遠，為弧形孔，存在施工鉆孔難度大，放水孔易堵塞，后期不易疏通等因素，因此需至少提前1個半月進行探放水(即2019年11月20日)。

4 經(jīng)濟社會效益

4.1 經(jīng)濟效益

1) 探放水投入成本大幅度降低，節(jié)省了大量人力、物力、財力，真正做到了“一優(yōu)三減”。較以往的探放水方法，本次探放水減少了32次探放水循環(huán)，減少了160個放水孔，累計減少鉆探進尺3 200 m。減少套管160根，水泥55 t，水門160個，打鉆工時960個，以及節(jié)省了大量的輔助材料。累計節(jié)省探放水資金935 650元。

2) 放水孔不需要水泵排水，通過自壓排水達7.5萬m3(實際放水量比預(yù)計積水量多3.4萬m3)，不僅節(jié)省了排水設(shè)備的折舊費和損耗費，而且僅排水所用電費就節(jié)省了15萬元。

4.2 社會效益

1) 確保了工作面提前至少6個月貫通，縮短了工作面的掘進時間，極大地緩解了采掘銜接緊張的局面，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益極大。

2) 避免人員在受老空積水威脅的區(qū)域進行施工作業(yè)，保障了作業(yè)人員人身安全。

3) 極大地減少了探放水循環(huán)，降低了企業(yè)經(jīng)營成本，增強了企業(yè)競爭力。

4) 降低了人工勞動強度，提高了工作效率。

5) 該探放水方法安全、高效、投入少。尤其為煤礦遠距離探放近間距老空積水提供了新的解決辦法和手段，值得在近間距煤層探放水中推廣應(yīng)用。

與以往的探放水方法相比較，應(yīng)用定向鉆機遠距離探放水可以大幅度減少探放水循環(huán)次數(shù)和探放水鉆孔數(shù)量，極大地提高了放水孔單孔利用率，投入成本大幅度降低，節(jié)省了大量人力、物力、財力，同時又縮短了工作面的掘進時間，極大地緩解了采掘銜接緊張的局面，而且在下部煤層頂板管理上和確保施工人員安全上均能體現(xiàn)出顯著效果，由于近間距煤層開采在煤礦開采中屬普遍現(xiàn)象，因此該方法在近間距煤層探放水工作中具有現(xiàn)實的推廣意義。