大口徑直排水井鉆探技術(shù)在煤礦防治老空水中的應(yīng)用

1.概況

老空水水害是煤礦生產(chǎn)過程中常見的災(zāi)害之一，其瞬時水量大，大量積水伴隨有毒氣體突然涌出，極易發(fā)生安全事故。早年煤礦上部煤層開采完以后留下部分采空區(qū)，被后期的地下水或地表水充滿，形成老空水。在下組煤開采時，由于采動影響，頂板巖體失去完整性，在采面頂部會形成較大面積的垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶，如果與上組煤層的老空水溝通，會威脅下組煤層的安全生產(chǎn)，這種情況就必須先將上組煤層的老空水疏干放凈，才能保證下組煤層的安全生產(chǎn)。

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷成熟，各煤炭企業(yè)的老空水疏放技術(shù)各有不同。根據(jù)已有的研究，疏放老空水大部分采用井下定向鉆進技術(shù)，這種技術(shù)存在4個缺點[1：（1）在實際實施時會遇到放水過程中鉆孔被巖屑堵住造成放水不暢的情況，導(dǎo)致不能高效地疏放上覆老空水。（2）井下定向孔施工技術(shù)要求高、施工難度大、危險性高。（3）井下布置排水管道會擠占巷道的空間。（4）礦井涌水量較大時會增加井下排水系統(tǒng)的排水壓力。

本研究主要結(jié)合某煤礦礦井水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造，采用大口徑直排水井鉆探技術(shù)對其上組煤層老空水進行抽排，該技術(shù)的主要優(yōu)點是：（1）地面施工，施工效率高，施工比較安全。（2）減少占用井筒、巷道空間，縮短排水通道距離。（3）老空水的抽排效率高。

2.項目背景

該煤礦井田內(nèi)主要含水層有：第四系孔隙潛水含水層、基巖風化帶裂隙含水層、二疊系上統(tǒng)上石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系下統(tǒng)下石盒子組及山西組砂巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組巖溶裂隙含水層及奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層外。除奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層外，其余含水層一般為弱富水性。根據(jù)井田及周邊煤礦水位資料，推斷井田內(nèi)的奧灰水水位標高為600至 604m_c 。15號煤層底板最低標高650m ，全區(qū)不帶壓。奧灰水對15號煤層無充水影響。

井田內(nèi)15號煤層厚度一般小于3m，以往有個別鉆孔揭露的15號煤層厚度大于3m，距3號煤層平均距離 90m ，導(dǎo)水裂隙帶高度采用20倍煤厚法計算，由計算結(jié)果可知，15號煤層開采后導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度為82.2m. 。15號煤層頂板距3號煤層平均距離 90m ，導(dǎo)通高度已經(jīng)接近3號煤層底板，3號煤層老空水對15號煤層開采帶來嚴重威脅。

根據(jù)調(diào)查，井田內(nèi)3號煤層采空區(qū)積水共有27處，積水面積2012150m² ，積水量 1810105m³ 。15號煤層目前處于建設(shè)階段，井巷工程的三期工程已全部完成，15105首采工作面已形成，現(xiàn)未正式開采；上部3號煤層已基本采空，形成了分布廣泛、大小不一的老采空區(qū)，老采空區(qū)中的積水對15號煤層的開采構(gòu)成潛在威脅，制約著15號煤層的開采。老空水空間位置如圖1所示。

15105首采工作面形成后，礦方在回風順槽和運輸順槽開展探放水工程，15105回風順槽有兩處涌水，流量分別為 40m³/h 和 20m³/h ，其他都為實體煤或無水。井下安裝的壓力表顯示水壓力達到 1.3MPa ，推測為3號煤層采空區(qū)積水。

為最大程度減弱上組煤層老空水的威脅，根據(jù)以往老窯資料，選取3號煤層老窯巷道底板最低處布置探查孔，探查孔成功進入老空區(qū)后，再施工大口徑直排水井，最后安裝 500m³/h 大流量水泵對15105工作面上部3號煤層老孔水進行持續(xù)抽排。

3.大口徑直排水井鉆探技術(shù)的應(yīng)用

3.1主要施工設(shè)備

潛孔錘鉆機（DU1000S）、空壓機（SPDWQ3400）、水源鉆機（TSJ-600）、柴油機（6135-120）、泥漿泵（F-500）等。

3.2大口徑直排水井施工工藝

施工工藝流程：場地平整 $$ 鉆機設(shè)備安裝調(diào)試 $$ 小口徑鉆至采空區(qū)目的層$$ 分級擴孔 $$ 下入濾水管 $$ 安裝大流量水泵、水位觀測儀 $$ 持續(xù)排水、動態(tài)監(jiān)測水位變化。

3.2.1小口徑探查孔施工

由于3號煤層采空區(qū)形成年代久遠，井口于2009年關(guān)閉，井下情況未知，因此，根據(jù)經(jīng)濟適用性原則，在施工排水孔時首先運用小口徑探查、驗證，確定積水情況后再進行大口徑擴孔和排水。

小口徑探查孔采用DU1000S型潛孔錘鉆機進行施工，首先一開使用Φ219mm 鉆頭跟管鉆進至 56m 進入基巖，更換 Φ190mm 鉆頭二開鉆進，鉆孔進尺至 195m 處，出現(xiàn)明顯掉鉆情況，同時返水量突然增大，繼續(xù)鉆進至199m ，漏風嚴重，終孔深度 199m 停鉆進行12小時的動態(tài)水位觀測，水位埋深始終穩(wěn)定在 130m 處，后經(jīng)測井解釋，埋深195至 199m 為煤層采空。

3.2.2大口徑擴孔施工

擴孔前首先對探孔底部進行封堵，采用直徑 Φ180mm 的圓木纏裹海帶后，利用鉆具送至鉆孔底部進行封堵。

一開：采用 Φ700mm 刮刀鉆頭加Φ219mm 導(dǎo)鉆進行沖積層鉆進，確保開孔沖積層孔段的垂直度，到達基巖層位（ 56m. ）后下入 Φ630mm×12mm 井壁管護壁，并進行水泥固管。

二開：采用 Φ580mm 牙輪鉆頭加Φ190mm 導(dǎo)鉆擴孔施工至3號煤層采空底板，下入 Φ508×12mm 上實下花濾水管進行固管，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.大流量水泵及配套設(shè)備的安裝應(yīng)用

4.1主要排水及配套設(shè)備

井用潛水泵（400QJ500-190）、軟啟動柜（ 630kw） 、鋼制揚水管（DN250）、電纜（JHS1 ×150 ）、水位自動監(jiān)測儀（GUY100）、流量監(jiān)測儀（LJS400）、PVC排水管（DN300）。

大流量水泵選用額定流量500m³/h 、揚程 190m 的井用潛水泵，水泵直徑為 400mm ，總長約 5m 揚水管選用 Φ273×7mm 無縫鋼管，法蘭連接，法蘭盤上留設(shè)電纜槽。

水位自動監(jiān)測儀可以實時監(jiān)測井內(nèi)水位變化并將數(shù)據(jù)傳輸至電腦客戶端。流量監(jiān)測儀可以實時監(jiān)測水泵流量信息并傳輸至電腦客戶端。

4.2設(shè)備安裝

下泵之前要將水泵電機接好電纜，檢測絕緣電阻，水泵注入冷卻水，一切準備工序完成后開始下泵。

為保證下泵安全及質(zhì)量，利用80T的汽車吊進行水泵及配套設(shè)備的安裝工作。揚水管之間利用鋼制法蘭盤螺栓緊固連接，水泵電纜和水位監(jiān)測儀傳感線置于法蘭電纜槽內(nèi)，外用橡膠皮帶包裹并用鐵絲將其固定，每下一節(jié)揚水管均用電表進行檢測，確保電纜安全，地面電纜通過電纜溝進入配電室與專用啟動柜接線。水泵安裝示意圖如圖3所示。

4.3老空水處理

老空水由井底潛水泵輸送至污水處理站，經(jīng)處理后的無害老空水經(jīng)過埋地的PVC管道排至附近河道。

5.結(jié)束語

該煤礦采用大口徑直排水井鉆探技術(shù)，布置1個鉆孔，總工期45天，經(jīng)統(tǒng)計，通過兩個月的排水，直排水井共疏放3號煤層采空區(qū)積水累計約為60萬立方米，水位監(jiān)測儀監(jiān)測的水位埋深由 130m 降至 190m ，下組煤首采工作面壓力表由排水前的1.4Mpa降至0.85Mpa ，基本可以確定其首采工作面上覆3號煤層采空區(qū)內(nèi)無大面積積水。后經(jīng)核實，15105首采面已經(jīng)基本回采完畢，采掘過程未受到上覆老空水的影響。

大口徑直排水井鉆探技術(shù)比井下排水系統(tǒng)疏放的方式大大提高了老空水的疏放效率，提前實現(xiàn)15號煤層的開采。大口徑直排水井鉆探技術(shù)不僅可以用于治理上覆老空水，也可治理同層老空水，該項技術(shù)值得廣泛推廣。匪

參考文獻：

[1]王永全、周兢。鉆探技術(shù)在煤礦水害防治工作中的應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2017，44（11）：35-41.作者單位：中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院