定向钻探技术疏放上覆煤层采空区积水技术研究

郭星星,孟晓峰

(山西晋城煤业集团 成庄矿钻探队,山西 晋城 048000)

随着井田向深部延伸,下组煤各项系统已初步形成。根据《矿井底板扰动规律研究报告》,成庄矿3#煤层开采对底板的破坏深度平均达到19 m,构造区域深度可达32 m,而成庄矿15#煤层开采上三带[1]导水裂隙高度可达55 m,3#煤和15#煤之间的平均间距约为80 m～90 m。因此下组煤层回采过程中,在构造区域很有可能将3#煤层采空区积水导通,形成涌水通道,进一步引发水害事故,为此,必须在下组煤开采前对上方的3#煤采空区积水进行疏放。

1 XV1307工作面基本情况

1.1 XV1307工作面水文地质情况

XV1307工作面走向长1 514 m,倾斜长200 m,区域直接顶和老顶为8.92 m厚的石灰岩,深灰色,致密坚硬。工作面距上方3#煤平均间距90 m左右,中间夹有多层含水层,K2、K5富水性较弱,K5灰岩位于3#煤以下25 m左右,K2灰岩是15#煤的直接顶板,工作面回采过程中,顶板塌陷可能会形成导水通道,造成K2、K5灰岩水下渗至工作面,造成工作面涌水量增大。

1.2 XV1307工作面上方采空积水情况

1)3303面于2001年回采结束,工作面由切眼至停采线整体呈现下坡趋势,但工作面切眼以南280 m位置发育一背斜,导致工作面切眼位置较低,积水位置位于XV1307切眼正上方,面积约为1.3万m2,积水量2.85万m3,这部分积水对XV1307工作面初期回采的威胁较大;3303停采线位置存一部分积水,面积约3.7万m2,积水量约为4.4万m3,对XV1307面后半段回采影响较大。3303面3#煤层底板标高为674 m～730 m,15#煤层底板标高为590 m～645 m,因此预计水压在0.29 Mpa～1.43 Mpa之间。

2)3304面于2004年回采结束,工作面与3303面相似由切眼至停采线方向呈整体下坡趋势,积水区位于3304切眼位置,位于XV1307面切眼上方偏北,面积约4.67万m2,积水量约8.8万m3,1307面回采前需对其进行疏放。3304面3#煤层底板标高为670 m～720 m,15#煤层底板标高为580 m～645 m,因此预计水压在0.25 Mpa～1.40 Mpa之间。

3)3303、3304面巷道掘进过程中曾经揭露小煤窑巷道,位于13072巷930 m～1 115 m区间上方,预计回采后,小煤窑巷道积水会成为采空区的充水通道,将上覆砂岩裂隙水导至采空区,初步预计老窑积水量5 000 m3。

图1 XV1307工作面上覆采空积水区及放水钻孔布置示意图

2 放水钻孔设计及施工

2.1 XV1307工作面放水钻孔设计

为确保XV1307工作面安全回采,根据《煤矿安全规程》《煤矿防治水细则》等规程规定的要求,结合实际生产需要,进行3#煤层采空区积水探放水设计。本次共设计3组钻孔,每组钻孔3个方向。钻孔详细参数如表1所示。

表1 各钻孔参数表

2.2 探放水钻孔的开孔、终孔位置

设计探放水钻孔选用钻头96 mm规格,为保证钻机机身的稳固和方便放水钻孔的施工,并且保证放水孔有较好的放水效果,减少堵孔塞孔现象,终孔层位应避开巷道,且终孔点设计在采空区原顶板向下1.5 m～2 m处。

2.3 钻探设备及孔口装置安设

钻探设备:钻机:ZDY-4 000LD;钻杆:Φ73 mm通缆钻杆; 钻头:Φ96 mm。

孔口装置安设:根据水头高度、水压和《煤矿防治水细则》确定孔口管埋设长度,安装孔口管直径150 mm×10 m,采用湿式排渣钻进10.5 m后,退出钻杆,下置10 mΦ150 mm套管,并进行固定,见图2。

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图2 定向钻机孔口阀门和套管

2.4 封孔工艺及耐压试验

封孔材料:石膏、普硅525#水泥、速凝剂。

封孔工艺:将普硅525#水泥掺入3%的速凝剂,掺匀称后,加入少量的水拌匀成水泥浆,用注浆泵将水泥浆注入钻孔内,进行固管。待水泥浆凝固24 h后进行扫孔,扫孔深度应超过孔口管长度0.5 m,见图3和图4。

图3 注浆设备连接示意图

图4 钻孔注浆示意图

耐压试验:待注浆固结套管48 h后,对封孔进行耐压试验(压力值为水头的1.5倍),试验合格后,在钻孔施工时, 孔口管需加设6寸闸阀(包含水压表)、流量表、U型防瓦斯装置,采用法兰相互连接,以确保钻孔施工放水安全。最后用Φ96 mm钻头施工至终孔,确保在钻透老空区后要根据排水能力大小,调节闸阀,控制放水[3]。

2.5 接近、钻透老空区及放水措施

1)钻孔达到设计终孔层位后,地测防治水人员应对钻孔深度进行丈量,并根据孔内煤岩性预测钻孔偏斜情况。

2)快要揭露采空区积水之前50 m,要检查现场排水系统。

3)快要揭露采空区积水之前20 m,检查孔口管的牢固情况。

4)钻进过程中,一旦发现“见软”“见空”“见水”和“变层”,要立即停钻,丈量残尺并记录其深度,检查有无有害气体溢出[4]。

5)若钻透老空时水量较小或无水时,应反复下钻以防钻孔被堵,造成水流干假象,引发事故,如果钻孔出水量较大时,不能拔出钻杆,应及时关闭孔口阀,控制放水。

6)钻透采空区积水后不要立即拔出钻杆,待稳定后,方可拔出钻杆,调节阀门,控制放水量[5]。

7)发现积水位下降缓慢或久放不降等异常,必须查明原因。对另有水源补给者,必须先封堵水源,然后再进行放水。对可能存在的“孤立区”或“滞流区”,应通过分析补打钻孔处理。

3 放水钻孔施工效果

3.1 钻孔施工计划

根据XV1307工作面水文、地质条件,预计垂距0～70 m区间岩体较好,适合定向设备施工;垂距70 m～90 m区间,因3#煤层开采对底板的破坏严重,若继续使用定向钻机施工,很可能会发生卡钻的情况,会造成钻探成本大大增加。因此,在实际施工过程中,在垂向上前70 m使用定向钻机的定向设备进行施工,在垂向上70 m以上的区段改为定向钻机配合普钻钻杆旋转施工,见图5。

图5 13072巷1#放水钻孔剖面图

3.2 钻孔施工放水情况及放水效果

3.2.1钻孔施工放水情况

放水效果:XV1307面上覆煤层采空区积水疏放工作施工135 d。目前对上覆3#煤采空积水的疏放,钻场内各钻孔涌水量合计达到12 m3/h,累计放水383 000 m3。通过对上方3303采空区密闭墙涌水量的跟踪观测,发现密闭墙涌水量已明显减小,初步实现了放水目的，具体如表2所示。

相比传统钻探放水,定向钻探技术疏放水工作具有的优势相当明显:

1)可精确定位,有效达到预定目标,减少无效钻孔施工及钻孔偏移量。

2)可以实现长距离放水钻孔施工,相比传统钻机具有优势。

3)可以增加对异常涌水的反应时间,增加施工人员的安全性。

4)定向钻探设备的应用,大大提高了钻孔施工效率和放水效率。

5)在与采空区探透后,在积水区域老空水会通过钻孔进行疏放;无水区域,在探透后,采空区内瓦斯和CO等气体进行立体抽放,及时解决采空区瓦斯问题。

表2 1307工作面上覆煤层采空区技术放水钻孔参数表

Table 2 Water drainage drilling parameters in overlying coal seam goaf on 1307 working face

孔号位置孔径/mm施工变化倾角/(゜)分支数孔深/m出水位置/m施工时间/d有无出水 113072巷968～3312312251250 m3/h→10 m3/h 213072巷9614～2812382301315 m3/h→2 m3/h 313071巷反掘968～50423723426少量 413071巷反掘9625～54116516210少量 513071巷反掘9625～47117717510少量 613071巷反掘9626～38116816513少量 713072巷9621～34119019410少量 813072巷9615～2212282237少量 913072巷9620～371171163715 m3/h→2 m3/h 1013072巷9614～2622362301715 m3/h→2 m3/h 1113072巷9617～27120820510少量

4 结论

XV1307工作面上覆煤层采空区积水放水钻孔的成功施工,标志着利用定向钻探技术疏放上层采空区积水是可行的。定向钻探技术在疏放上覆煤层采空区积水疏放技术,有效疏放工作面上方的采空区积水,为下组煤采面的安全回采提供安全保障,并帮助矿井初步建立了下组煤开采疏放上层采空区积水的模型,丰富了防治水人员的经验,为矿井建立可靠的疏放上层采空区积水方案奠定了基础。