3317工作面采空積水超前探放技術(shù)的研究與應(yīng)用

張麗波

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

郭莊煤礦在回采期間，隨著煤層頂板的垮落，頂板砂巖裂隙水得以釋放，形成采空區(qū)積水。針對(duì)這一問(wèn)題，采用超前探放采空區(qū)積水技術(shù)[1]。由于該技術(shù)的可靠性較高，投入成本較小，治理效果較好，因此，在3317工作面回采期間，根據(jù)水文地質(zhì)條件進(jìn)行探放水鉆探施工，以消除工作面的水害威脅。

1 水文地質(zhì)概況

3317工作面位于山西組中下部，屬3號(hào)可開采穩(wěn)定煤層，煤層均厚6.02 m，煤質(zhì)呈塊狀黑色，局部含有一層夾矸。煤層頂板的巖性依次為厚度3 m的砂質(zhì)泥巖、厚度3.77 m的細(xì)粒砂巖、厚度6.07 m的粉砂巖、厚度3.63 m的細(xì)粒砂巖、厚度0.74 m的泥巖、厚度3.67 m的粉砂巖、厚度0.9 m的泥巖、厚度6.4 m的細(xì)粒砂巖、厚度11.01 m的粉砂巖；底板的巖性依次為厚度3 m的細(xì)粒砂巖、厚度2 m的砂質(zhì)泥巖、厚度10.08 m的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度4.92 m的細(xì)粒砂巖、厚度2.78 m的粉砂巖。

工作面3號(hào)煤層的直接充水含水層是頂板和底板砂巖裂隙含水層，工作面頂?shù)装宓暮畬泳唧w示意圖如圖1。在回采過(guò)程中，過(guò)大的采動(dòng)力會(huì)使巖層發(fā)生移動(dòng)，采空區(qū)上方的巖層就出現(xiàn)局部塌陷和裂隙，破壞了隔水層的完整性，降低了巖層的隔水性能，在含水層與采空區(qū)含水層之間發(fā)生一定的水力聯(lián)系，從而在采空區(qū)的蓄水地段形成采空區(qū)積水?？梢姡煽諈^(qū)積水是造成工作面安全回采的主要因素，在進(jìn)行回采前，要對(duì)采空區(qū)的積水進(jìn)行探放，以確保工作面回采的安全性。

圖1 工作面頂?shù)装宓暮畬邮疽鈭D

2 探放水鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔布置

為了對(duì)3號(hào)煤層上覆采空區(qū)積水進(jìn)行疏放，使頂板水害對(duì)回采的影響降到最低，采用探放水技術(shù)。在探測(cè)的異常區(qū)域設(shè)計(jì)8個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)3個(gè)鉆孔，共設(shè)計(jì)24個(gè)鉆孔。在水平和豎直方向上，鉆場(chǎng)都呈扇形方式布置[2]。在探測(cè)的非異常區(qū)域，每間隔100 m進(jìn)行一次鉆孔施工，對(duì)3號(hào)煤層頂板采空區(qū)積水進(jìn)行探放。

2.2 施工工序及要求

（1）開孔。開孔時(shí)用金剛石鉆頭在煤層中鉆進(jìn)10.5 m，在達(dá)到預(yù)定的深度后，停止鉆探，并對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行清洗。在鉆孔時(shí)，要確保終孔鉆入采空區(qū)內(nèi)，開孔的孔徑要大于止水套管的外徑[3]，終孔的孔徑要小于75 mm。

（2）下套管止水。止水套管在煤層中的總長(zhǎng)度要達(dá)到10 m，分段將止水套管下入鉆孔中，每一節(jié)的長(zhǎng)度為1～2 m，中間用外絲進(jìn)行連接，絲扣的長(zhǎng)度是100 mm。止水套管在放入時(shí)要超出孔口10～15 m，便于連接法蘭盤和高壓閘閥。

（3）固定套管。先在套管的上環(huán)形間隙處插入一根3 m長(zhǎng)的小氣管，用鐵絲進(jìn)行固定，然后在小氣管的端口處安裝一個(gè)小閘閥[4]，用水泥漿進(jìn)行封堵，再將水泥漿灌入鉆孔和套管環(huán)形間隙中。當(dāng)稠水泥漿從小氣管中流出時(shí)，要停止注漿，封堵小氣管。此時(shí)，繼續(xù)向套管內(nèi)灌入水泥漿，在達(dá)到一定壓力后，停止注漿，同時(shí)關(guān)閉高壓閘閥，待水泥漿凝固后，用封孔器進(jìn)行封孔，使用錨索和鋼絲繩固定封孔器，防止封孔器鼓出。

（4）掃孔試壓。在止水套管周圍的水泥漿凝固后，進(jìn)行掃孔試壓測(cè)試，確保掃孔深度大于止水套管0.5 m，然后通上高壓水進(jìn)行壓力測(cè)試。試壓的壓力為預(yù)期水壓的1.5～2倍，持續(xù)時(shí)間在0.5 h以上，同時(shí)詳細(xì)記錄測(cè)試時(shí)的壓力，觀察止水套管外部和周圍的情況，一旦發(fā)現(xiàn)有滲水和跑水的現(xiàn)象，立即停止壓力測(cè)試，重新固定止水套管，直到壓力測(cè)試達(dá)到要求為止。

（5）安裝壓力裝置。在止水套管的管口處分別安裝測(cè)壓表和球閥，當(dāng)壓力表的讀數(shù)大于5 MPa時(shí)，即為達(dá)到壓力要求。鉆孔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

（6）終孔。在掃孔試壓測(cè)試結(jié)束后，使用與終孔孔徑一致的鉆頭繼續(xù)鉆至采空區(qū)。在預(yù)期的鉆孔水壓超過(guò)1.5 MPa時(shí)，要配合反壓措施，安裝防噴裝置。

2.3 鉆場(chǎng)支護(hù)技術(shù)

在探放水過(guò)程中，為了減少煤壁出現(xiàn)垮落，在鉆場(chǎng)附近安裝工字鋼棚進(jìn)行支護(hù)。工字鋼棚包括頂梁、連接梁、棚腿以及底座，其中頂梁長(zhǎng)1.5 m，棚腿長(zhǎng)3.5 m。在垂直于鉆場(chǎng)的煤壁處安裝4架L型鋼，每架鋼棚的間距為1 m，棚腿與煤壁之間留有0.2 m的距離。用地錨將底座與底板固定，用4根螺栓將棚腿與底座連接并進(jìn)行預(yù)緊，用卡蘭將頂梁與棚腿固定，用固定錨桿將頂梁與頂板固定，用圓鋼將鋼棚與鋼棚連接，圓鋼的長(zhǎng)度為1 m，直徑為20 mm，用水泥背板將棚腿與煤壁連接，水泥背板的長(zhǎng)度為1.2 m，寬度為0.3 m。

3 應(yīng)用效果

郭莊煤礦在3317工作面進(jìn)行探放水試驗(yàn)，在上覆采空區(qū)，施工鉆孔4個(gè)、效果檢驗(yàn)鉆孔1個(gè)，鉆探總掘進(jìn)213 m，注水泥漿4.25 t，下入止水套管50 m。其中F1鉆孔最大出水量為25 m3/h，F(xiàn)2鉆孔最大出水量為23 m3/h，F(xiàn)3鉆孔最大出水量為32 m3/h，F(xiàn)4鉆孔最大出水量為35 m3/h。在4個(gè)鉆孔的水都疏放完后，將鉆機(jī)退出2 m，并施工檢驗(yàn)鉆孔，出水量為1 m3/h。具體的鉆孔排水位置如圖3。在巷道1580 m、1610 m以及1855 m，分別用離心水泵、潛水泵將積水排到井底水倉(cāng)，然后再集中排到地面上。采用超前探放水技術(shù)，截至目前，共計(jì)排放水總量為6539 m3，水壓從0.09 MPa降到0.02 MPa，約下降77%，有效緩解了采空區(qū)的積水情況，治理效果顯著，為工作面的安全回采奠定基礎(chǔ)。

圖3 鉆孔排水位置圖

4 結(jié)論

（1）3317工作面直接充水含水層是頂?shù)装迳皫r裂隙含水層，對(duì)工作面進(jìn)行鉆孔布置，給出具體的施工工藝，確保掘進(jìn)工作面的安全。

（2）在工作面上進(jìn)行試驗(yàn)，采用超前探放水技術(shù)后，排放水總量為6539 m3，水壓從0.09 MPa降到0.02 MPa，約下降77%，有效緩解了采空區(qū)的積水情況，治理效果顯著，為工作面的安全回采奠定基礎(chǔ)。