远距离深孔探放水技术在矿井煤层群中的应用

摘要：主沟含水层一般厚度不超过10，由砂砾石及卵石、漂石组成，此含水层直接受河水补给，含水层水也向河里排泄，成互补关系。此层水及河水是矿区开采的主要水患。通过对上述充水因素的综合分析，已经基本查明工作区内各煤层主要接受含煤地层和第四系含水层地下水及地表水直接或间接的充水。当煤层开采到一定深度时，井下采空区达到一定规模后，煤层间的岩层势必坍塌或陷落，其产生的冒裂带与采空区沟通造成突水，所以矿井在生产巷道开拓过程中必须按“探水一掘进一探水”循环进行，而且采煤过程中应加强顶底板的管理工作，密切注意突水征兆，严防突水事故的发生，确保矿井生产的安全。

关键词：远距离深孔探放水技术；矿井煤层群；应用

前言

水害是煤矿五大自然灾害之一，一直威胁和制约着煤矿安全生产，且采空区突水约占煤矿水害的80％以上，采空区积水具有时间短、水量大、破坏性强等特点；随着煤矿开采向深部转移，矿井水害特征越来越明显，矿井涌水量增大，采空积水区与开采层层间距不断加大，尤其浅部煤层开采方式为刀柱式，积水区水力联系少，孤立分布，且层问岩性软硬度不同，给下伏煤层放水增加了难度；但开采前必须治理水害，严禁顶水采煤，水害治理最有效的途径就是利用钻孔进行超前探放。目前水害治理超前探放技术主要有两种，即地面抽放和井下探放。地面抽放一般在积水区集中，层间距较大，井下常规探放达不到要求时采用地表钻探，但地面钻探的场地受地形地貌不同、用水用电不方便、购地费用高、搬运困难等因素限制，综合打钻成本很高，排放时间较长，有时无法达到预期放水的最佳效果。常规井下探放不受采空积水区形态所限，费用低、水电方便、搬运轻便，施工时间短；但在层间距达到80m以上的软硬岩层时，一般由于钻机功率、钻头等情况达不到要求而无法施工，大大限制了放水孔的井下施工。本文结合两者特点，扬长避短，研究采用井下长距离高压风水射流新技术，既不受地表地形、积水区形态、软硬岩层影响，又能长距离探放、费用低，从而达到探放水最佳效果。

1软硬交互层长距离深孔施工改进方案

针对钻孔施工存在的诸多问题，改进方案从钻机能力、排渣工艺、钻杆强度、巷道施工条件、布孔方式等因素进行综合考虑。

1.1选用大功率并适合井下施工条件的钻机

足够能力的钻机是施工长钻孔的基础，大部分钻孔达不到设计深度，主要原因是钻机功率小、转速低，钻机在施工长距离软硬岩层钻孔时，钻机负荷加大，钻机旋转较慢，导致排粉不畅通，造成卡钻、抱钻现象，因而选用Tux一150型钻机。

1.2准确控制钻孔倾角

从理论上讲，钻孔布置与软硬岩层倾向尽量垂直，这样钻头在穿越各岩层时孔壁能承受更大的地应力，不易垮孔、喷孔，同时不会由于钻杆自重造成拖杆，偏离钻孔设计角度，这就要求在打钻前由技术人员根据现场情况摸清煤岩层赋存状况，设计钻孔位置、倾角，严格按设计施工。

1.3使用高压风力排渣减轻钻孔钻进负荷

目前矿井的井下压风管道风压不超过0．5MPa，这一风压显然不能达到足够的供风量。为此，可使用井下移动式空压机，使打钻地点的风管风压正常时达到0．65MPa以上，最大时达到0．8MPa，可连接高压风管与钻杆，通过钻杆产生高压风流。理论和实践证明，风力排渣能够减少钻屑与钻杆摩擦阻力，增大钻进速度。根据气力输送原理，对于一定钻孔倾角和钻屑颗粒，只有达到一定风速才能使钻屑悬浮在风流中，并随之运动，完成排渣，随着孔深加大，供风风压随之增大。

1.4采用水射流结合钻齿联合破碎

目前矿井的井下供水管道水压不超过1．2MPa，施工长距离深孔时水压显然不能达到要求。为此，研究利用高压水泵通过高压水管直接与钻杆连接，通过钻杆产生高压水射流。当合金钻齿接触煤孔壁时，由于钻机推动，钻齿切人煤孔壁，钻头旋转对煤壁产生切削，孔壁附近的煤在切削作用下诱发出拉伸应力，当拉伸应力超过煤的抗拉强度时，煤孔壁产生裂隙。同时，射流进入裂隙后，首先在裂隙中产生张力而扩展裂隙，继而冲击裂隙尖端，发展裂隙，钻齿进一步切人后，裂隙逐渐扩大。钻齿的旋转及从裂隙尖端反射回来的压力水可以带走孔壁破碎后的岩屑，随着后续射流的进入，岩屑被卷吸，继而达到快速排渣的效果。

1.5采用满足风力水力排渣和长钻孔施工的大扭矩钻杆

采用的钻杆f57mm比f42mm钻杆不同程度地增大了钻杆外径和内径，并在钻杆结构上考虑了降阻问题。钻杆直径大了，通过的风压、水压和钻杆强度等也相应提高，更有利于长距离深孔施工。

2采空区积水地面放水情况

对于层间距大于50m的采空积水，可实施地面打钻或地面抽水井排放法。地面打钻排放法是利用地面打钻穿越积水区，将积水排放到井下，再由井下的排水系统排至地表。地面抽水井排放法是用旧井接排水管路进行抽水。井田二盘区上覆同家梁矿东406、404盘区侏罗系12、14、15号采空区积水，同忻矿先后施工的9个地面探放水和1个地面抽水井共计排放12、14、15号采空区积水404.2万m3。通过对4个地面探放水孔测井水位标高同上覆侏罗系14号层煤层底板标高相比较，现上覆采空区积水水位低于侏罗系14号层煤层底板标高，证明上覆采空区积水已基本疏放完。但由于上覆侏罗系12、14号煤层开采方式为房柱式开采，一定程度上影响了采空区积水的连通性，采空区低洼处可能有残留水，须在井下施工钻孔进行验证，把采空区残留水彻底放净。4深孔钻车井下探放水

2.1放水孔施工方案及参数

井田二盘区地质构造简单，基本形态为一走向N30-40°E，倾向北西，西高东低的单斜构造。二盘区8203工作面730m揭露一岩浆岩墙，宽2～3m，5203巷1300m揭露一条落差为2.9m正断层。上覆同家梁矿404、406盘区侏罗系14号层开采年限1978-1991年，开采方式多为房柱式开采，与石炭系3～5号层层间距160～180m。3～5号煤层井下放水需钻进至侏罗系14号层，普通钻机钻进深度达不到要求。为此，引进了CMS1-6000/55型煤矿深孔钻车，该钻车使用履带行走方式，在巷道移位方便，设计工作范围2500×2300，最大钻孔深度可达240m，满足了井下探放水孔设计要求，彻底解决了井下探放上覆侏罗系14号层采空区积水问题。

根据上覆采空区分布情况，在石炭系3～5号层8203面两顺槽巷道共施工22个深孔探放水孔，回风顺槽施工17个，皮带顺槽施工5个，终孔位置为侏罗系14号层采空区低洼处。

2.2放水孔施工工艺

放水孔开孔Φ146mm，钻进深度为进入3～5号层顶板稳定岩层0.5m。固结套管Φ108mm，套管外焊一台阶，用4根Φ21.8mm×6.3m锚索将套管与顶板固定，再用水泥砂浆全程固结套管。套管固结好后，在套管下端安装一4寸高压截门，之后变换Φ80mm钻头钻进至终孔位置，钻孔终孔后即可用4寸高压截门控制放水量大小。

2.3放水孔探放水效果

通过施工深孔放水孔，皮5、回8、回14号孔探测出上覆采空区有积水，共计排放积水27385m3，从根本上解决了上覆侏罗系14号层采空区积水区残留水影响工作面安全开采的难题。

结束语

通过CMS1-6000/55型煤矿深孔钻车的使用，实现了从石炭系3～5号煤层巷道到侏罗系14号煤层底板的钻进，井下放水钻孔最大垂深可达198.7m，对上覆采空区积水情况进行了验证并进一步疏放，最终疏放残留积水2.7万m3，解决了8203工作面上覆采空区积水排放的难题，实现安全开采。

参考文献：

[1]张荣立．采矿工程设计手册下册[M]．北京：煤矿工业出版社，2010：3583—3584．

[2]李光辉．1930煤矿综采放顶煤工作面探放水技术实践[J]．煤矿现代化。2011（4）：24-25